ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 1996 года по МПК H01F19/00 

Изобретение относится к электротермии, в частности к индукционному нагреву, и может быть использовано в электротермических установках для высокочастотной сварки металлов, плавки, пайки, закалки и т.д.

Известен высокочастотный трансформатор, состоящий из спиральной многовитковой цилиндрической первичной обмотки, расположенной концентрично внутри одновитковой вторичной обмотки, между которыми выполнен воздушный зазор, служащий электрической изоляцией между обмотками. Высокочастотный трансформатор согласует выходное напряжение лампового генератора с напряжением технологической цепи (индуктора, кондуктора и т.д.) [1]
Трансформаторы такой конструкции обладают большим полем рассеяния, высоким КПД. Экранирование таких трансформаторов выполняют с большими зазорами, что приводит к увеличению объема, занимаемого всей конструкцией.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является трансформатор [2] содержащий первичную дисковую обмотку (с. 172, рис. 6-12), вторичную одновитковую дисковую обмотку с радиальным зазором в дисках и соединенные с ними выводные шины (с. 170, рис. 6-10).

Выводные пластины 4 на рис. 6-14, соединенные выводной колодкой, расположены в плоскости, перпендикулярной силовым линиям магнитного потока и являются концентраторами "настила" тока и тем больше, чем больше частота тока, что приводит к их перегреву и снижению КПД. Известные трансформаторы будут иметь повышенные потери в переходных частях вторичной обмотки (с. 96, 97, рис. 3-19) при использовании их на высоких частотах (440 кГц и выше) и при мощностях сотни тысяч кВт.

Не спасает положение "компенсация" выводных шин в известном решении, т. к. перехлестнутая часть вторичной обмотки, расположенная ближе к первичной обмотке, экранирует расположенную дальше (т.к. проникновение поля и тока в медь на частоте 440 кГц 0,1 мм), в результате экранированная часть не взаимодействует с магнитным полем как первичной катушки, так и с перехлестнутой частью вторичной катушки ввиду высокой частоты и отсутствия магнитопровода.

Таким образом, трансформаторы известных конструкций не позволяют решить проблемы, связанные с передачей энергии от вторичных обмоток трансформатора к нагрузочным устройствам с наименьшими потерями при частотах тока более сотен тысяч герц и нагрузках более сотен тысяч киловатт.

В книге Тира Л.Л. [2] рассматриваются трансформаторы повышенной частоты до 10000 Гц (10 кГц) (с.3) с сердечниками из электротехнической стали, которые увеличивают коэффициент связи и позволяют уменьшить число витков в обмотках.

На высоких частотах (выше 66 кГц, ГОСТ 12.2.007.10-87) сердечники из электротехнической стали не применяют в виду недопустимых потерь на вихревые токи.

На высоких частотах широкое применение нашли "воздушные" трансформаторы, т.е. не имеющие сердечника.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении КПД трансформатора.

Поставленная задача решается за счет того, что в высокочастотном трансформаторе, состоящем из первичной и вторичной одновитковой дисковых обмоток, выполненных в форме плоской спирали и расположенных соосно с радиальным зазором в дисках вторичной обмотки и соединенных с дисками вторичной обмотки выводных шин, согласно изобретению, выводные шины вторичной дисковой обмотки размещены в радиальном зазоре этой обмотки перпендикулярно плоскости дисков.

Благодаря такой конструкции направление линий тока первичной и вторичной обмоток совпадают по всей длине вторичной обмотки, причем электродинамические силы от близости в зазоре выводных шин направлены всегда перпендикулярно плоскости выводных шин, следовательно, влиять на распределение плотности тока по радиусу вторичной обмотки не могут. Тем самым в зазоре устраняются потери энергии в переходных частях вторичной обмотки и повышается КПД трансформатора.

Изобретение поясняется чертежами, на которых представлена конструкция высокочастотного трансформатора.

На фиг. 1 представлен вид сбоку, на фиг. 2 вид сверху, на фиг. 3 - разрез В-В на фиг. 1, на фиг. 4 электрическая схема автотрансформатора, на фиг. 5 электрическая схема трансформатора.

Трансформатор состоит из двух частей, каждая из которых содержит первичные полуобмотки 1 и 2 в виде плоских спиралей и вторичные полуобмотки, состоящие из двух пар дисков 3 и 4 с радиальным зазором (фиг. 1).

Выводные шины 6, 7 (фиг. 2, 3) расположены в радиальном зазоре дисков вторичной обмотки 3, 4 и соединены с последними с помощью сварки, пайки и т. д. Радиальный зазор дисков вторичной обмотки 3, 4 делают таким, чтобы с учетом толщины пластин выводных шин зазор между ними был не более 8 мм для уменьшения индуктивности выводных шин.

Для выполнения условия сборки высокочастотного трансформатора наружные диски вторичной обмотки выполнены съемными, поэтому выводные шины 6, 7 сделаны разъемными.

Первичная 1 и вторичная 3 полуобмотка электрически соединены друг с другом в точке 5 вблизи у выводной шины 7 (фиг. 2). Аналогично соединены первичная 2 и вторичная 4 полуобмотки (точка соединения не показана). Зазоры 8, 9 между первичными 1, 2 и вторичными 3, 4 полуобмотками заполнены диэлектриком.

В трансформаторах (фиг. 5) (автотрансформаторах, фиг. 4) средние точки вторичной и первичной обмоток с целью электробезопасности заземляют. В предлагаемой конструкции предложена реализация схемы автотрансформатора и заземление выполнено через пластину 13, которая является лишь конструктивным элементом.

Концы 10, 11 (фиг. 1) первичных полуобмоток 1, 2 закреплены на изоляторе 12, они являются высоковольтными и посредством их трансформатор подключается к конденсаторной батарее (не показана).

Предлагаемая конструкция обладает достаточной жесткостью (крепеж для установки в корпус не показан).

Ток от источника питания проходит по первичной полуобмотке 1 от высоковольтного конца 10 до точки 5 соединения с вторичной полуобмоткой 3, протекает по вторичным полуобмоткам 3 и 4, соединенных выводными шинами 6, 7 и соединительной пластиной 13. Затем через вторую точку соединения первичной и вторичной полуобмоток (не показана) переходит на первичную полуобмотку 2, обтекает ее и через высоковольтный конец 11 замыкается на источник питания. Технологическая цепь, например, индуктор, подсоединяется к выводным шинам 6 и 7, в которых суммируется ток вторичных полуобмоток, наведенный электромагнитным полем первичных полуобмоток. Кроме наведенного тока в индукторе течет ток первичных полуобмоток, т.к. первичные и вторичные полуобмотки соединены последовательно, причем в индукторе эти токи суммируются. Особенностью трансформатора является величина зазоров 8, 9, которые должны находиться в пределах 5^oC8 мм. При больших зазорах, как показывает практика, плотность тока вторичной обмотки резко растет к центру трансформатора, что приводит к увеличению потерь на нагрев меди. В зазоры 8, 9 могут быть введены диски из твердого высокочастотного диэлектрика (фторопласта, оргстекла и т.п.).

Высокочастотный трансформатор опробован при выпуске партии труб размером 57х3,2 мм на ТЭСА 20-114.

Использование высокочастотного трансформатора заявляемой конструкции позволяет легче встраивать его в линию трубоэлектросварочного стана за счет уменьшения его габаритов, снизить потери электроэнергии на нагрев обмоток и повысить КПД на 5-10% Внедрение трансформатора предполагается на ТЭСА 20-114 на экспериментальном заводе электросварных труб г. Топки Кемеровской области.

Изобретение относится к электротермии, в частности к индукционному нагреву, и может быть использовано в электротермических установках для высокочастотной сварки металлов, плавки, пайки, закалки. Высокочастотный трансформатор состоит из первичной 1, 2 и вторичной 3, 4 одновитковой дисковых обмоток, выполненных в форме плоской спирали и расположенных соосно с радиальным зазором в дисках вторичной обмотки и соединенных с дисками вторичной обмотки выводных шин. Выводные шины 7 вторичной дисковой обмотки размещены в радиальном зазоре этой обмотки перпендикулярно плоскости дисков. 5 ил.

Высокочастотный трансформатор, содержащий первичную и одновитковую вторичную обмотки, выполненные в виде дисков в форме плоской спирали и расположенные соосно, в дисках вторичной обмотки выполнены радиальные зазоры с расположенными в них выводными шинами, соединяющими диски вторичной обмотки, отличающийся тем, что выводные шины расположены перпендикулярно плоскости дисков.