СИЛОВОЙ ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 1999 года по МПК H01F30/04 H01F30/12 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для силовых трансформаторов электропоезда скоростной железной дороги.

Силовой трансформатор питает тяговый электропривод переменного тока через преобразователь частоты на запираемых тиристорах или силовых транзисторах и собственные нужды.

Для подавления высших гармоник тока в контактной питающей сети, генерируемых преобразователем, трансформатор выполняют с значительным напряжением короткого замыкания (к.з.), соответствующим к.з. первой вторичной обмотки, предназначенной для питания тягового электропривода. Другое напряжение к.з., соответствующее к. з. другой вторичной обмотки, предназначенной для питания собственных нужд, выполняют на уровне обычных силовых трансформаторов.

Сглаживание высших гармоник переменного тока непосредственно связано с взаимным влиянием электромагнитных процессов во вторичных обмотках трансформатора и так как трансформатор расположен на движущемся электропоезде, то критерием оптимальности являются массогабаритные параметры.

Известен трехобмоточный трансформатор с стержневым магнитопроводом, первичная высоковольтная обмотка которого расположена на наружном концентре (ГОСТ 16110-82. Трансформаторы силовые. Термины и определения, 1982, стр. 41, черт. 5).

Указанная конструкция трансформатора обладает рядом недостатков. Во-первых, следует отметить существенное взаимное влияние между нагрузками, подключенными к двум вторичным обмоткам, которое проявляется в том, что при изменении тока нагрузки в одной из вторичных обмоток недопустимо изменяется напряжение на другой вторичной обмотке. Во-вторых, выполнение трансформатора со значительным напряжением к.з., соответствующим к.з. первой вторичной обмотки, приводит к увеличению массогабаритных параметров из-за существенного отклонения геометрических размеров трансформатора от оптимальных.

Известен другой трансформатор (прототип), содержащий стержневой магнитопровод, поэтажно установленные на каждом стержне на одном концентре две первичные обмотки с одинаковыми радиальным размером и на другом концентре две вторичные обмотки одинакового радиального размера, при этом одна первичная обмотка и одна вторичная обмотка расположены на одном уровне по высоте стержня, другая первичная обмотка и другая вторичная обмотка расположены на другом уровне по высоте стержня, высоты разных первичных обмоток и соответствующих им вторичных обмоток выполнены по зависимости

где h₁, S₁ - высота и номинальная мощность одной из первичных обмоток и соответствующей ей первой вторичной обмотки; h₂, S₂ - высота и номинальная мощность другой первичной обмотки и соответствующей ей другой вторичной обмотки.

Прототип согласно а.с. СССР N 1064329, H 01 F 31/04, H 01 F 33/00.

За счет ослабления магнитной связи, по путям магнитного потока рассеяния, между обмотками первого и второго уровней уменьшается взаимное влияние между нагрузками, подключенными к вторичным обмоткам, по сравнению с первой противопоставленной конструкцией трансформатора. Однако, как показывает опыт, указанное уменьшение недостаточно, что проявляется в недопустимом изменении напряжения на одной из вторичных обмоток при изменении тока другой вторичной обмотки.

Отношение высот обмоток на разных уровнях установлено без учета существенного отличия напряжений к.з. в двух режимах: при к.з. вторичной обмотки первого уровня и к.з. вторичной обмотки второго уровня. При выборе отношения высот обмоток, расположенных на двух уровнях, согласно приведенной выше зависимости, напряжения к. з. в % номинального в двух указанных выше режимах равны между собой.

Необходимость значительного увеличения напряжения к.з. в первом режиме по сравнению со вторым режимом приводит к увеличению массогабаритных параметров, так как геометрические размеры трансформатора существенно отклоняются от оптимальных.

Цель изобретения - уменьшение взаимного влияния электромагнитных процессов во вторичных обмотках, значительное увеличение напряжения к.з., соответствующего к. з. вторичной обмотки первого уровня, при оптимальных массогабаритных параметрах.

Указанная цель достигается тем, что в силовом трансформаторе, содержащем стержневой магнитопровод, поэтажно установленные на каждом стержне на одном концентре две первичные обмотки с одинаковым радиальным размером и на другом концентре две вторичные обмотки одинакового радиального размера, при этом одна первичная обмотка и одна вторичная обмотка расположены на одном уровне по высоте стержня, другая первичная обмотка и другая вторичная обмотка расположены на другом уровне по высоте стержня, высоты разных первичных обмоток и соответствующих им вторичных обмоток выполнены по зависимости

где h₁, S₁ - высота и номинальная мощность одной из первичных обмоток и соответствующей ей вторичной обмотки, h₂, S₂ - высота и номинальная мощность другой первичной обмотки и соответствующей ей другой вторичной обмотки, K - коэффициент пропорциональности, в цепь вторичной обмотки мощностью S₁ введена обмотка реактора с индуктивностью, равной 0,5 - 1,5 индуктивности вторичной обмотки при короткозамкнутых первичных обмотках, отношение высот h₁/h₂ выбрано по указанной зависимости из условия K = 0,3 - 0,6, а высоты h₁, h₂ и расстояние между обмотками h₃ по высоте стержня выбрано из условия, что, при изменении тока нагрузки одной из вторичных обмоток от нуля до номинального, изменение напряжения на другой вторичной обмотке не превышает 5%, при этом S₁ > S₂, h₁ > h₂
Сравнительно высокое напряжение к.з. в указанном первом режиме в сравнении со вторым режимом достигается как за счет самого трансформатора, так и за счет последовательно включенной с вторичной обмоткой обмотки реактора. При этом напряжение к.з. самого трансформатора в первом режиме соответствует максимально возможному по критерию оптимальности массогабаритных параметров трансформатора с реактором (с учетом взаимного влияния электромагнитных процессов во вторичных обмотках). Недостающая часть в напряжении к.з. сверх максимально возможной по указанному критерию обеспечивается индуктивностью обмотки реактора, которая на основании опыта равна 0,5 -1,5 индуктивности вторичной обмотки первого уровня при короткозамкнутых первичных обмотках.

В прототипе K = 1, что соответствует равенству напряжений к.з. в % в двух режимах. Увеличение напряжения к.з. в первом режиме по сравнению со вторым достигается уменьшением высоты обмотки первого уровня и увеличением высоты обмоток второго уровня, так как при этом увеличивается магнитное поле рассеяния между обмотками первого уровня и уменьшается магнитное поле рассеяние между обмотками второго уровня. Как показывает опыт, оптимум по критерию массогабаритных параметров достигается при K = 0,3 ^oC 0,6.

Изменение взаимного влияния электромагнитных процессов во вторичных обмотках достигается изменением высот обмоток и расстояния между обмотками первого и второго уровней. При этом указанные высоты и расстояния между обмотками выбираются в соответствии с указанным выше критерием оптимальности массогабаритных параметров при условии, что при изменении тока нагрузки одной из вторичных обмоток от нуля до номинального, изменение напряжения на другой вторичной обмотке не превышает 5%, что соответствует опыту эксплуатации на электропоездах.

Критерий оптимальности массогабаритных параметров учитывает как напряжения к.з., так и взаимное влияние процессов во вторичных обмотках.

На фиг. 1 изображен продольный разрез трансформатора, а на фиг. 2 практический пример схемы соединения обмоток трансформатора для электропоезда.

На стержне 1 поэтажно установлены на одном концентре две первичные 2 и 3 обмотки с одинаковым радиальным размером и на другом концентре две вторичные 4, 5 обмотки одинакового радиального размера.

Первичная 2 и вторичная 4 обмотки установлены на одном уровне по высоте стержня 1, а первичная 3 и вторичная 5 расположены на другом уровне по высоте стержня 1.

Высота первичной 2 и вторичной 4 обозначена h₁, а высота другой первичной 3 и соответствующей ей другой вторичной 5 обмоток обозначена h₂. Расстояние между обмотками h₃.

Последовательно со вторичной обмоткой 4 мощностью S₁ включена обмотка реактора 6. Мощность обмотки 5 меньше мощности обмотки 4, то есть S₂ < S₁.

При работе системы (трансформатор-преобразователь частоты - тяговый электропривод) преобразователь частоты является генератором высших гармоник, которые трансформируются в питающую контактную сеть и проявляются в мешающем воздействии на устройства сигнализации, связи и блокировки. Указанные высшие гармоники подавляются до безопасного уровня высоким индуктивным сопротивлением (или, что то же самое, высоким напряжением к.з. в %) первой 4 вторичной обмотки с последовательно 6 включенным реактором при короткозамкнутых первичных 2 и 3 обмотках.

Работа собственных нужд обеспечивается вторичной 5 обмоткой. Низкий уровень гармоник, генерируемых в питающую сеть через обмотку 5, не представляет никакой опасности и поэтому нет необходимости в их подавлении.

Высокое индуктивное сопротивление для генерируемых преобразователем гармоник достигается конструкцией обмоток трансформатора, выбором отношения высот h₁/h₂ и последовательно включенной 6 обмоткой. По критерию оптимальности массогабаритных параметров коэффициент K= 0,3 - 0,6, а индуктивность реактора 0,5 -1,5 индуктивности обмотки 4 при короткозамкнутых обмотках 2 и 3.

Взаимное влияние электромагнитных процессов в обмотках 4 и 5 практически исключается, так как трансформатор работает с сильно ослабленной магнитной связью по путям магнитного потока рассеяния между обмотками двух уровней. Это достигается конструкцией обмоток, выбором высот обмоток первого и второго уровней (h₁, h₂), а также расстояние между обмотками h₃ в соответствии с критерием оптимальности массогабаритных параметров и при условии, что, при изменении тока нагрузки одной из вторичных обмоток (4 или 5) от нуля до номинального, изменение напряжения на другой вторичной обмотке (5 или 4) не превышает 5%.

Фиг. 2 иллюстрирует соединение первичных и вторичных обмоток трансформатора мощностью 1800 кВА для электропоезда при подключении к питающей сети через вводы A и X.

На стержне 1 установлены первичные 2 и 3, вторичные 4 и 5 обмотки. Последовательно с обмоткой 4 включена обмотка 6 реактора.

На стержне 7 установлены первичные 8 и 9 и вторичные 10 и 11 обмотки. Последовательно с обмоткой 10 включена обмотка 12 реактора. Обмотки 2, 4, 8, 10 расположены на одном уровне по высоте стержней 1 и 7. Обмотки 3, 5, 9, 11 расположены на другом уровне по высоте стержней 1 и 7.

Первичные 2 и 8 обмотки первого уровня соединены последовательно и выведены на вводы A и X.

Первичные 3 и 9 обмотки второго уровня соединены последовательно и выведены на те же вводы.

Вторичные 4, 10 обмотки первого уровня соединены параллельно через обмотки 6 и 12 реактора и выведены на вводы a₁ и x₁. Вторичные 5 и 11 обмотки второго уровня соединены последовательно и выведены на вводы a₂ и x₂.

Мощность вторичных обмоток первого уровня - 1500 кВА, мощность вторичных обмоток второго уровня - 300 кВА.

Взаимное влияние электромагнитных процессов между вторичными обмотками первого и второго уровней оценивается следующим образом.

Во вторичных обмотках первого уровня изменяют ток от нуля до номинального и определяют изменение напряжения на вторичных обмотках второго уровня, если последние в режиме холостого хода.

Во вторичных обмотках второго уровня изменяют ток от нуля до номинального и определяют изменение напряжения на вторичных обмотках первого уровня, если последние в режиме холостого хода.

Для указанного выше трансформатора изменение напряжения в первом режиме 2%, а во втором - 0,4%.

Напряжения на вторичных обмотках первого уровня при короткозамкнутых первичных обмотках (питание через вводы a₁ x₁, короткое замыкание AX) составляют 24,5% номинального напряжения. Обмотки реактора дополняют напряжения на вторичных обмотках первого уровня до 49,3%. Напряжения на вторичных обмотках второго уровня (питание через вводы a₂ x₂, короткое замыкание AX) составляют 8,8%.

Высоты обмоток разных уровней h₁, h₂ и расстояние между обмотками h₃, выбранные по критерию оптимальности массогабаритных параметров: h₁ = 453,0 мм; h₂ = 212,0 мм; h₃ = 100 мм.

Использование: в силовых трансформаторах электропоездов скоростных железных дорог. Технический результат: подавление высших гармоник и взаимного влияния электромагнитных процессов при оптимальных массогабаритных параметрах. Трансформатор содержит стержневой магнитопровод. На каждом его стержне на одном концентре поэтажно установлены две первичные обмотки с одинаковым радиальным размером. На другом концентре установлены две вторичные обмотки одинакового радиального размера. При этом первичная и одна вторичная обмотки расположены на одном уровне по высоте стержня, другие первичная и вторичная обмотки расположены на другом уровне. Отношение высот обмоток первого и второго уровней равно отношению номинальных мощностей обмоток, помноженному на коэффициент К = 0,3 - 0,6. В цепь вторичной обмотки первого уровня введена обмотка реактора с индуктивностью 0,5 - 1,5 индуктивности вторичной обмотки при короткозамкнутых первичных обмотках. Высоты обмоток первого и второго уровней и расстояние между обмотками выбрано из условия, что при изменении тока нагрузки одной из вторичных обмоток от нуля до номинального изменение напряжения на другой вторичной обмотке не превышает 5%. 2 ил.

Силовой трансформатор, содержащий стержневой магнитопровод, поэтажно установленные на каждом стержне на одном концентре две первичные обмотки с одинаковым радиальным размером и на другом концентре две вторичные обмотки одинакового радиального размера, при этом одна первичная и одна вторичная обмотки расположены на одном уровне по высоте стержня, другие первичная и вторичная обмотки расположены на другом уровне по высоте стержня, высоты разных первичных обмоток и соответствующих им вторичных обмоток выполнены по зависимости

где h₁, S₁ - высота и номинальная мощность одной из первичных обмоток и соответствующей ей вторичной обмотки;
h₂, S₂ - высота и номинальная мощность другой первичной обмотки и соответствующей ей другой вторичной обмотки;
К - коэффициент пропорциональности,
отличающийся тем, что в цепь вторичной обмотки мощностью S₁ введена обмотка реактора с индуктивностью, равной 0,5 - 1,5 индуктивности вторичной обмотки при короткозамкнутых первичных обмотках, отношение высот h₁/h₂ выбрано по указанной зависимости из условия К = 0,3 - 0,6, а высоты h₁ и h₂ и расстояние h₃ между обмотками по высоте стержня выбрано из условия, что при изменении тока нагрузки одной из вторичных обмоток от нуля до номинального изменение напряжения на другой вторичной обмотке не превышает 5%, при этом S₁ > S₂ и h₁ > h₂.