ТРАНСФОРМАТОР С ПЛАВНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H01F29/00 

Изобретение относится к электротехнике, к индукционным аппаратам, трансформаторам.

Известны регулировочные трансформаторы, в которых предусмотрены ответвления в обмотках, переключаемых в процессе регулирования напряжения на нагрузке (на вторичной стороне трансформатора) [1] Такие трансформаторы могут обеспечить только ступенчатое регулирование напряжения. Плавное регулирование осуществляется в трансформаторах с движущимися по поверхности контактами.

Недостатком этих аналогов является наличие контактов в цепи тока. Плавное регулирование напряжения возможно при использовании трансформатора с передвижной вторичной обмоткой, недостатком которого является сложность конструкции, связанная с наличием тяжелого подвижного стержня.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является трансформатор с регулированием напряжения системы Норриса, в котором имеется замкнутый магнитопровод, две системы обмоток, подключаемых к первичному напряжению и нагрузке (обмотки первичная и вторичная), а также передвижная короткозамкнутая обмотка, которую можно перемещать вдоль стержня относительно остальных обмоток [1]-[4]
Недостатком такого трансформатора являются увеличенные потери мощности в проводниках короткозамкнутой обмотки при протекании в ней трансформированных токов первичной и вторичной обмоток, увеличенный ток короткого замыкания, отсутствие стабилизации тока нагрузки.

Цель изобретения снижение потерь электроэнергии в трансформаторах с плавным регулированием напряжения, снижение тока короткого замыкания, стабилизация тока нагрузки.

Цель достигается тем, что в известном трансформаторе с плавным регулированием напряжения, содержащем магнитопровод, неподвижные обмотки и подвижную короткозамкнутую обмотку, упомянутая короткозамкнутая обмотка выполнена из сплошного сверхпроводящего материала цилиндрической формы, например из массивной ВТСП-керамики (высокотемпературный сверхпроводник), и помещена в криостат с охлаждающей жидкостью, имеющей температуру ниже критической для сверхпроводящего материала, например с жидким азотом.

Криостат может быть выполнен в виде тора с возможностью перемещения его вместе с короткозамкнутой обмоткой вдоль оси обмоток. Криостат может быть выполнен также неподвижным, в котором помещается подвижная обмотка. В тороидальный криостат можно поместить и неподвижные обмотки и подвижные обмотки.

Криостат может быть выполнен в виде цилиндра, в который вместе с короткозамкнутой обмоткой помещен магнитопровод с обмотками.

Сечение короткозамкнутой обмотки определяют по формуле
S_кзK, где S_кз сeчение сверхпроводящей обмотки;
W₂ число витков вторичной обмотки;
I_ст ток стабилизации (токоограничения) на выходе трансформатора;
j_кр кристаллическая плотность тока;
K коэффициент, зависящий от числа витков, схемы соединения обмоток и геометрических размеров магнитопровода и обмоток (K=1,5-3).

В предлагаемом трансформаторе используется особенность короткозамкнутой обмотки, выполненной из ВТСП-материала, заключающаяся в том, что при превышении током его критического значения этот материал теряет сверхпроводимость и приобретает конечное омическое сопротивление. Таким образом, трансформатор с ВТСП-обмоткой является одновременно ограничителем тока и стабилизатором тока нагрузки. Для того, чтобы трансформатор выполнял эти функции, необходимо обеспечить определенное соотношение размеров короткозамкнутой ВТСП-обмотки:
S_кзK, где S_кз сечение сверхпроводящей обмотки;
I_ст требуемый ток стабилизации или максимально допустимый на выходе трансформатора;
W₂ число витков вторичной обмотки;
j_кр критическая плотность тока ВТСП-материала;
К коэффициент, зависящий от числа витков, схемы соединения обмоток и геометрических размеров магнитопровода и обмоток (К=1,5-3).

Расположение выемной части трансформатора в криостате с жидким азотом имеет тот недостаток, что такой трансформатор имеет большой объем и массу, к тому же охлаждение магнитопровода нецелесообразно, так как не приводит к снижению потерь в стали. Поэтому предлагается ряд вариантов, чтобы избежать указанных недостатков.

Чтобы криостат имел малый объем, внутри него помещают подвижную обмотку. Наименьший объем получается в том случае, когда криостат, например в виде тора, выполнен подвижным. Однако выполнение подвижного криостата достаточно сложно. Поэтому предлагается вариант, когда криостат с расположенной внутри него обмоткой выполнен неподвижным.

Выполнение криостата в виде цилиндра с помещенными в него короткозамкнутой обмоткой и магнитопроводом с обмотками позволяет достичь дополнительного снижения потерь из-за охлаждения всех обмоток трансформатора.

На фиг.1, 2 изображен в двух проекциях трансформатор с плавным регулированием напряжения, обмотки которого соединены по трансформаторной схеме; на фиг. 3 показан трансформатор с автотрансформаторной схемой соединения обмоток; на фиг. 4 передвижная короткозамкнутая ВТСП-обмотка в передвижном тороидальном криостате; на фиг.5 показана передвижная короткозамкнутая ВТСП-обмотка в неподвижном криостате; на фиг.6 трансформатор, у которого все обмотки, включая ВТСП-обмотку, помещены в общий тороидалный криостат; на фиг.7 изображена картина магнитного поля в окне трансформатора в среднем положении короткозамкнутой обмотки; на фиг.8 изображена картина магнитного поля в окне трансформатора в крайнем положении короткозамкнутой обмотки (при нагрузке на вторичной стороне).

Устройство содержит магнитопровод трансформатора, имеющий стержень 1 и боковые ярма 2, неподвижные обмотки: первичную, состоящую из секций 3 и 4, и вторичную, состоящую из секций 5 и 6, передвижную короткозамкнутую ВТСП-обмотку 7 (показано ее положение в середине высоты стержня и пунктиром нижнее положение); криостат 8 с жидким азотом, тягу 9 для передвижения короткозамкнутой обмотки, тягу 10 для передвижения криостата вместе с ВТСП-обмоткой. Буквами А и Х обозначена первичная сторона трансформатора, а буквами а и х вторичная сторона. Звездочками обозначено начало секций обмоток (условно все секции имеют одинаковую левую или правую намотку).

Устройство работает следующим образом.

При подключении клемм А и Х трансформатора (фиг.1) к сети переменного тока возникает магнитный поток, который преимущественно проходит по воздуху, а не по стали (фиг. 7), так как части 3 и 4 первичной обмотки соединены последовательно-встречно. Если при этом короткозамкнутая обмотка 7 находится на оси симметрии в середине высоты стержня (фиг.7), то на вторичной стороне напряжения на нагрузке (а, х) нет. Если короткозамкнутую обмотку переместить к торцу обмоток, например вниз (фиг.8), то симметрия поля резко нарушается, на вторичной стороне появляется напряжение, максимальное по отношению к промежуточным положениям передвижной обмотки 7. При нагрузке ток протекает не только по обмоткам 3-6, но и по короткозамкнутой обмотке 7 (в ней протекает ток, соответствующий суммарным ампер-виткам обмоток 3-6). Если обмотка 7 выполнена из ВТСП-материала и охлаждена до температуры ниже критической для ВТСП (на фиг.1 условно показан криостат 8, в котором находится весь трансформатор), то ток, возникающий в короткозамкнутой обмотке, практически не вызывает в ней потерь. По сравнению с прототипом снижение потерь в обмотках достигает 25-40%
При трансформаторной схеме (фиг.1) напряжение на нагрузке регулируется от нуля до максимального при перемещении КЗ-обмотки 7 от середины к краю обмотки, при верхнем и нижнем положениях обмотки 7 фазы напряжения на вторичной обмотке сдвинуты на 180^о. Как правило, в трансформаторах системы Норриса применяется автотрансформаторная схема соединения обмоток (фиг.3). При этом в нижнем положении напряжение на нагрузке минимально (близко к 0), а в верхнем положении максимально и близко к напряжению питающей сети. Применение в автотрансформаторной схеме соединения обмоток короткозамкнутой ВТСП-обмотки также существенно снижает потери в обмотках.

Существенно то, что короткозамкнутая обмотка выполнена из массивной ВТСП-керамики. В настоящее время ВТСП-провода и кабели еще не разработаны, в то время как массивные ВТСП-детали могут быть изготовлены, причем достаточно сложной формы, например в виде цилиндров, что необходимо для предлагаемого трансформатора.

Таким образом, предлагаемый трансформатор с плавным регулированием напряжения позволяет обеспечить снижение тока короткого замыкания и стабилизировать ток нагрузки за счет выполнения короткозамкнутой обмотки из сверхпроводящего материала, имеющей размеры сечения, определяемые по вышеуказанной формуле.

В настоящее время изготовлена и испытана действующая модель предложенного трансформатора, на которой проверена его работоспособность и подтверждена возможность получения положительного эффекта (снижение потерь, стабилизирующий и токоограничивающий эффект).

Изобретение относится к электротехнике, к индукционным аппаратам, трансформаторам. Трансформатор содержит магнитопровод, неподвижные обмотки, подвижную короткозамкнутую обмотку, которая выполнена из сплошного сверхпроводящего материала и помещена в криостат с охлаждающей жидкостью, имеющей температуру ниже критической для сверхпроводящего материала. Сечение короткозамкнутой обмотки вычисляется по определенной формуле. Криостат трансформатора может быть выполнен подвижным и неподвижным. С целью получения малого объема внутрь криостата помещают или подвижную обмотку, или неподвижные обмотки, или все обмотки вместе. 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. ТРАНСФОРМАТОР С ПЛАВНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий магнитопровод, неподвижные обмотки и подвижную короткозамкнутую обмотку, отличающийся тем, что короткозамкнутая обмотка выполнена из сплошного сверхпроводящего материала цилиндрической формы, например из массивной высокотемпературной сверхпроводящей керамики, и помещена в криостат с охлаждающей жидкостью, имеющей температуру ниже критической для сверхпроводящего материала, например, с жидким азотом. 2. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что криостат выполнен в виде тора с возможностью перемещения его вместе с короткозамкнутой обмоткой вдоль оси обмоток. 3. Трансформатор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что криостат выполнен неподвижным с подвижной обмоткой внутри него. 4. Трансформатор по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что в криостат помещены неподвижные обмотки. 5. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что в криостат вместе с короткозамкнутой обмоткой помещены магнитопровод с обмотками, при этом криостат выполнен в виде цилиндра. 6. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что сечение короткозамкнутой обмотки определяют по формуле

где S_кз сечение сверхпроводящей обмотки;
I_ст ток стабилизации на выходе трансформатора;
W₂ число витков вторичной обмотки;
j_кр критическая плотность тока;
K коэффициент, зависящий от числа витков, схемы соединения обмоток и геометрических размеров магнитопровода и обмоток (K 1,5 3).