ТРЕХФАЗНЫЙ СИММЕТРИЧНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 2000 года по МПК H01F30/12 

Изобретение относится к электротехнике, а конкретно к трехфазным силовым трансформаторам устройств электропитания различных потребителей.

Известно, что магнитопроводы в трансформаторах выполняют ленточными или шихтованными в зависимости от уровня мощности и принятой у изготовителя технологии. При этом в трехфазных трансформаторах применяют две магнитные системы: плоскую и пространственную [1]. Плоская обеспечивает более простую конструкцию и технологию изготовления трансформатора. Ее недостатком является асимметрия, поскольку магнитное сопротивление для фазы, размещенной на среднем стержне, меньше, чем у фаз, размещенных на крайних стержнях.

Симметрия трехфазного трансформатора обеспечивается пространственной магнитной системой. Известны пространственные магнитные системы, представляющие собой правильную треугольную призму, образуемую тремя стержнями с общим ярмом, при этом обмотки пофазно охватывают стержни [1], или тремя одинаковыми ленточными стержневыми магнитопроводами [2], при этом обмотки пофазно охватывают по два смежных стержня разных магнитопроводов. В последнем случае возникают технологические сложности, обусловленные многоугольной формой каркаса для намотки. Общими недостатками трехфазных трансформаторов с пространственной магнитной системой является низкий коэффициент заполнения катушки проводниковым материалом, то есть медью, что снижает их энергетические характеристики. Недостатком является также треугольная конструкция, приводящая к значительной потере объема при компоновке устройства электропитания.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является трехфазный симметричный трансформатор [3], имеющий пространственную магнитную систему, которая содержит три одинаковые магнитопровода, два из которых параллельны друг другу, а третий им перпендикулярен. Вторичные фазные обмотки трансформатора пофазно охватывают по два смежных магнитопровода, а каждая фаза первичной обмотки состоит из двух параллельно согласно включенных секций, расположенных на отдельном стержне одного магнитопровода. Расстояние между секциями первичной обмотки, относящимися к разным фазам, равно сумме удвоенной толщины фазной вторичной обмотки и максимального расстояния между катушками в сборе, расстояние между магнитопроводами равно ширине окна, а магнитопроводы имеют квадратное сечение.

Недостатком этого трансформатора является повышенная длина витков вторичной обмотки, что приводит к увеличенному расходу меди и, соответственно, увеличению потерь энергии в обмотке. Это обусловлено тем, что смежные стержни разных магнитопроводов находятся на расстоянии, равном ширине окна. Данному трансформатору присущи известная сложность конструкции и ограниченная возможность унификации магнитопроводов, что обусловлено обязательным требованием иметь для них квадратное сечение.

Задачей изобретения является достижение технического результата, состоящего в улучшении энергетических и массогабаритных характеристик, а также упрощение и расширение возможности унификации конструкции.

Для достижения этого технического результата для трехфазного симметричного трансформатора, магнитная система которого содержит три одинаковых ленточных или шихтованных магнитопровода с прямоугольным окном, первый и второй из которых параллельны друг другу, а третий им перпендикулярен, фазные первичные обмотки и вторичные, которые пофазно охватывают по два смежных магнитопровода, предложены технические решения, заявляемые как новые признаки, а именно: магнитопроводы установлены в одной плоскости вплотную по одной оси симметрии, высота окна магнитопровода равна удвоенной сумме толщины магнитопровода и ширины его окна, а первичные обмотки концентричны вторичным.

Для упрощения технологии изготовления обмоток трансформатора ленточные магнитопроводы могут быть разрезаны, причем первый и второй разрезаны на расстоянии от третьего, не превышающем удвоенной толщины магнитопровода.

Для расширения возможности унификации конструкции каждый ленточный магнитопровод может состоять из набора одинаковых сердечников, расположенных по одной оси симметрии и соприкасающихся друг с другом торцевыми поверхностями.

В рассматриваемом техническом решении улучшение энергетических и массогабаритных характеристик обусловлено, во-первых, тем, что по сравнению с прототипом первичные фазные обмотки концентричны вторичным и охватывают сечения двух магнитопроводов, установленных вплотную в одной плоскости по одной оси симметрии. При этом при прочих равных данных, уменьшается длина витков вторичных обмоток и уменьшается число витков первичных обмоток. Во-вторых, концентричность обмоток приводит к применению только одного каркаса для укладки витков и, следовательно, приводит к повышению коэффициента заполнения катушки медью. В-третьих, в окне каждого магнитопровода образуется канал охлаждения, ширина которого равна удвоенной толщине магнитопровода. При этом полезная площадь окна не сокращается, в отличие от известного способа повышения теплоотдачи за счет неполного заполнения окна [2].

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2, при этом на фиг.1 показаны основные элементы конструкции трехфазного симметричного трансформатора, на фиг.2 показана векторная диаграмма его магнитных потоков.

На фиг. 1 приведены три одинаковых магнитопровода с прямоугольным окном 1, 2, 3, причем магнитопроводы 1, 2 параллельны друг другу, а 3 им перпендикулярен. Магнитопроводы установлены в одной плоскости вплотную и по одной оси симметрии. Магнитопроводы могут быть либо едиными ленточными или шихтованными (на фиг. 1 показано пунктиром), либо составленными из набора одинаковых ленточных сердечников, расположенных по одной оси симметрии и соприкасающихся друг с другом торцевыми поверхностями. Концентричные первичные и вторичные обмотки 4, 5, 6 пофазно охватывают по два смежных магнитопровода, а именно: обмотка 4 охватывает магнитопроводы 1, 2, обмотка 5 - магнитопроводы 1, 3, а обмотка 6 - магнитопроводы 2, 3. На фиг.1 показана линия разреза 7 ленточных магнитопроводов 1, 2, находящаяся на расстоянии от магнитопровода 3, равном удвоенной толщине магнитопровода, и линия разреза 8 магнитопровода 3, который с целью унификации конструкции всех магнитопроводов разрезан аналогично магнитопроводам 1, 2. Как следует из геометрических соотношений, высота окна магнитопровода равна удвоенной сумме толщины магнитопровода и ширины его окна.

Трансформатор работает следующим образом. При подключении его первичных обмоток к трехфазной сети в них протекают токи намагничивания, которые образуют трехфазную систему магнитных потоков Ф_A, Ф_B, Ф_C, приведенных на фиг. 2. Каждый из этих потоков равен разности магнитных потоков Ф₁, Ф₂, Ф₃ в магнитопроводах 1, 2, 3 (фиг.1), охваченных соответствующими фазными обмотками, при этом: Ф_A = Ф₁- Ф₃, Ф_B = Ф₂ - Ф₁, Ф_Cс = Ф₃-Ф₂. При симметрии трехфазной сети, идентичности магнитопроводов и обмоток потоки Ф₁, Ф₂, Ф₃ образуют симметричную трехфазную систему, сдвинутую относительно потоков Ф_A, Ф_B, Ф_C на 30^o, и при этом обеспечивается полная симметрия параметров фаз, что составляет особенность работы рассматриваемого трансформатора. В остальном процесс работы данного трансформатора не отличается от известных [1,2,3].

С целью демонстрации изобретения был изготовлен трехфазный симметричный трансформатор мощностью 1500 Вт, который был применен в опытном образце источника питания. Его магнитная система, как на фиг.1, представляла собой три одинаковых магнитопровода, каждый из которых состоял из трех сердечников, навитых лентой электротехнической стали толщиной 0,35 мм и шириной 40 мм. Толщина навивки составляла 16 мм, ширина окна - 25 мм, высота окна - 82 мм, то есть равнялась удвоенной сумме толщины навивки и ширины окна. Магнитопроводы были установлены на стальную плату с крепежными отверстиями. Магнитная система в поперечном и вертикальном направлениях была стянута шестью лентами с помощью трех хомутов. Стягивание в продольном направлении осуществлялось тремя шпильками, установленными в пазах, образованных радиусами в стыке магнитопроводов и стяжных лент. Кроме того, для этой же цели крайние ленты имели буртики. Детали крепления на фиг. 1 не показаны. Наматывались сначала первичные фазные обмотки, а затем, после укладки межобмоточной изоляции, концентрично первичным наматывались вторичные фазные обмотки. Трансформатор при испытаниях имел перегрев 45^o, КПД - 92%. Его удельная мощность составила 110 Вт/кг и 430 Вт/дм³, что, соответственно, в 1,3 и 1,9 раза выше, чем в известных конструкциях [2,3,4].

Таким образом, предлагаемый трехфазный симметричный трансформатор сочетает в себе простоту конструкции и технологии, характерную для трансформаторов с плоской магнитной системой, и симметрию, присущую трансформаторам с пространственной магнитной системой при одновременном существенном улучшении массогабаритных характеристик.

Источники информации
1. Г.Н.Петров. Электрические машины, ч. 1. М.: Энергия, 1974, с.75-76.

2. Р.Х.Бальян. Трансформаторы для радиоэлектроники. М.: Советское радио, 1971, с.18,19, 26-32, 53-54.

3. Р.Х.Бальян, Л.Г.Васютин, В.Д.Черняев. Симметричный трехфазный трансформатор. Патент N1805507, H 01 F 33/00.

4. Р.Х.Бальян, Л.Г.Васютин, В.Д.Черняев. Помехоподавляющий симметричный трехфазный трансформатор. "Судостроительная промышленность", серия общетехническая. Вып. 3. 1991, Научно- технический сборник. Центральный научно-исследовательский институт "Румб", с.34-37.

Использование: в устройствах электропитания различных потребителей. Технический результат заключается в улучшении энергетических и массогабаритных характеристик, а также в упрощении и расширении возможности унификации конструкции. Магнитная система трехфазного симметричного трансформатора содержит три одинаковых магнитопровода с прямоугольным окном. Первый и второй из них параллельны друг другу. А третий им перпендикулярен. Фазные первичные и вторичные обмотки пофазно охватывают по два смежных магнитопровода. Магнитопроводы установлены в одной плоскости вплотную по одной оси симметрии. Высота окна магнитопровода равна удвоенной сумме толщины магнитопровода и ширины его окна. Первичные обмотки концентричны вторичным. Ленточные магнитопроводы могут быть разрезаны, причем первый и второй разрезаны на расстоянии от третьего, не превышающем удвоенной толщины магнитопровода, и каждый из них может состоять из набора одинаковых сердечников, расположенных по одной оси симметрии и соприкасающихся друг с другом торцевыми поверхностями. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Трехфазный симметричный трансформатор, магнитная система которого содержит три одинаковых магнитопровода с прямоугольным окном, первый и второй из которых параллельны друг другу, а третий им перпендикулярен, первичные фазные обмотки и вторичные, которые пофазно охватывают по два смежных магнитопровода, отличающийся тем, что магнитопроводы установлены в одной плоскости вплотную по одной оси симметрии, высота окна магнитопровода равна удвоенной сумме толщины магнитопровода и ширины его окна, а первичные обмотки концентричны вторичным. 2. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что ленточные магнитопроводы разрезаны, при этом первый и второй из них разрезаны на расстоянии от третьего, не превышающем удвоенной толщины магнитопровода. 3. Трансформатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что каждый магнитопровод состоит из набора одинаковых ленточных сердечников, расположенных по одной оси симметрии и соприкасающихся друг с другом торцевыми поверхностями.