УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК H01F27/08 H01F27/30 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при проектировании мощных источников электропитания, например для электросварочных аппаратов.

Известны устройства преобразования тока и напряжения, выполненные в виде трансформаторов с размещенными на их сердечниках обмотками и узлами дополнительного охлаждения, выполненными в виде теплоотводящих шин, осуществляющих отток тепла от обмоток (1), и радиаторов, размещенных на поверхности сердечников, служащих для интенсификации теплоотдачи сердечников (2).

При работе устройств на высоких частотах с большой выходной мощностью интенсивность охлаждения можно увеличить за счет одновременного охлаждения и сердечников и обмоток путем принятия суммарных мер по дополнительному охлаждению, следующих из известных устройств (1 и 2), однако это ведет к усложнению конструкции трансформаторов и, следовательно, к ухудшению массогабаритных показателей.

Наиболее близким к данному изобретению техническим решением является устройство преобразования тока и напряжения, содержащее трансформатор с размещенными на его стержневом замкнутом сердечнике первичной и вторичной обмотками, связанными с входными и выходными выводами соответственно (3).

В устройстве имеется узел дополнительного охлаждения, однако он недостаточно эффективен при работе на высоких частотах с большой выходной мощностью и сильно усложняет конструкцию, приводя к плохим массогабаритным показателям, кроме того при изменениях величины тока нагрузки возможен режим возникновения бросков выходного тока, что в целом ведет к снижению надежности.

Техническим результатом, который может быть достигнут при использовании данного изобретения, является улучшение массогабаритных показателей и повышение надежности путем интенсификации охлаждения и ограничения токов нагрузки при ее изменении.

Технический результат достигается тем, что в устройстве преобразования тока и напряжения, содержащем трансформатор с размещенными на его стержневом замкнутом сердечнике первичной и вторичной обмотками, связанными с входными и выходными выводами соответственно (3), между внутренним слоем указанных обмоток и соответствующим стержнем сердечника трансформатора имеется зазор, служащий для прохождения вдоль него потока хладагента, формируемого узлом нагнетания потока хладагента, причем обе обмотки выполнены бескаркасным способом намотки, а величина площади поперечного сечения зазора составляет от 0,05 до 0,5 от величины площади поперечного сечения трансформатора, причем указанные сечения расположены в плоскости, перпендикулярной направлению движения потока хладагента. Указанные обмотки могут быть намотаны многожильным проводом с термостойкой изоляцией не более чем в три слоя. Узел нагнетания потока хладагента может быть выполнен в виде вентилятора. В нагнетаемом потоке хладагента может быть размещен токоограничивающий дроссель, через обмотку которого осуществлена указанная связь первичной обмотки трансформатора с входными выводами. Обмотка токоограничивающего дросселя, размещенная на П-образном или Ш-образном сердечнике, может быть прикреплена к наружной поверхности сердечника трансформатора. Обмотка токоограничивающего дросселя может быть выполнена бескаркасным способом намотки многожильным проводом с высокой температурной изоляцией.

На фиг. 1 изображена конструктивная схема устройства, состоящего из трансформатора и узла нагнетания потока хладагента, выполненного в виде вентилятора.

На фиг. 2 изображена конструктивная схема устройства с токоограничивающим дросселем, прикрепленным к сердечнику трансформатора.

На фиг. 3, 4 изображены варианты размещения токоограничивающего дросселя относительно трансформатора и узла нагнетания потока хладагента.

Устройство содержит трансформатор (фиг. 1), на стержневом замкнутом (Ш-образном или П-образном) сердечнике 1 которого размещены первичная 2 и вторичная 3 обмотки, связанные с входными и выходными выводами соответственно, служащими для подсоединения к выводам питания и нагрузки. Между соответствующим стержнем сердечника 1 и внутренним слоем расположенных на нем обмоток 2, 3 имеется зазор, служащий для прохождения вдоль него потока хладагента (например, воздуха), формируемого узлом нагнетания потока хладагента, выполненным, например, в виде компрессора, вентилятора и т.д. На фиг. 1-4 изображен узел нагнетания потока хладагента, выполненный в виде вентилятора 4. Вентилятор 4 обеспечивает направление движения потока хладагента (воздуха) вдоль зазора. К внешней поверхности сердечника 1 прикреплен П-образный или Ш-образный сердечник 5 токоограничивающего дросселя (фиг. 2), с размещенной на нем обмоткой 6, через которую первичная обмотка 2 трансформатора связана с входными выводами, т.е. обе обмотки соединены последовательно друг с другом. Обмотка 6 дросселя может быть намотана тем же проводом, что и первичная обмотка 2 трансформатора, а может и отдельным проводом. Сердечник 5 токоограничивающего дросселя может иметь замкнутый магнитопровод, а может и не иметь замкнутого магнитопровода в случае его прикрепления к сердечнику трансформатора, в отличие от сердечника 1 трансформатора, который должен быть всегда замкнут, при этом для замыкания магнитного контура дросселя используется часть сердечника 1, ограниченная поверхностями соприкосновения с сердечником 5 дросселя. Крепление сердечника 5 дросселя к сердечнику 1 трансформатора осуществлено при помощи стяжки, выполненной, например, в виде охватывающей оба сердечника ленты. Сердечником токоограничивающего дросселя может являться один из стержней трансформатора. Обмотки токоограничивающего дросселя и трансформатора выполнены многожильным проводом с термостойкой (высокотемпературной) изоляцией, например силиконовой или тефлоновой, способной выдерживать температуру от 100 град. Обмотки трансформатора выполнены бескаркасным способом намотки.

Устройство работает следующим образом.

Напряжение питания подводят к входным выводам, подсоединенным через цепь обмотки 6 токоограничивающего дросселя к первичной обмотке 2 трансформатора. Тоокоограничивающий дроссель служит для ограничения выходного тока при изменении величины тока нагрузки, подсоединенной к выходным выводам. Узел нагнетания потока хладагента, выполненный, например, в виде вентилятора 4, нагнетает поток хладагента вдоль зазора между внутренним слоем обмоток 2, 3 и соответствующим стержнем сердечника 1 трансформатора, вызывая интенсивный отвод тепла как от сердечника, так и от внутреннего слоя обмоток. Кроме того, он обдувает и внешний слой обмоток, организуя отвод тепла практически от каждого из слоев. Для того, чтобы интенсивность охлаждения была эффективной необходимо, чтобы величина площади поперечного сечения зазора, по которому проходит хладагент, составляла от 0,05 до 0,5 от величины площади наибольшего поперечного сечения трансформатора, причем указанные сечения расположены в плоскости, перпендикулярной направлению движения потока хладагента. Наиболее оптимальный режим работы - при количестве слоев намотки обмоток как трансформатора, так и токоограничивающего дросселя не более трех. Дроссель размещен в поле действия потока хладагента, осуществляющего отток тепла от его обмотки и сердечника (фиг. 3, 4).

Данная система охлаждения позволяет обеспечить равномерный отвод тепла от всех слоев обмоток и от сердечника трансформатора, обеспечивая работу сердечника трансформатора по полной петле гистерезиса, что дает возможность увеличить плотность тока, и, следовательно, уменьшить число витков при одновременном увеличении выходной мощности.

Источники информации, принятые во внимание при составлении описания:
1. Р.Х.Бальян "Трансформаторы для радиоэлектроники" М: Сов.радио. 1971, с. 56, рис. 2.39
2. Там же, с. 57, рис.2.40.

3. Там же, с. 54.

Использование: при проектировании мощных источников электропитания для электросварочных аппаратов. Устройство состоит из трансформатора, между сердечником и расположенными на нем первичной и вторичной обмотками которого имеется зазор для прохождения потока хладагента, нагнетаемого вентилятором. Для ограничения бросков выходного тока при изменении величины тока нагрузки в цепь первичной обмотки трансформатора включена обмотка хладагента, например, прикрепленного к сердечнику трансформатора, благодаря чему сердечники и обмотка дросселя и трансформатора интенсивно охлаждаются. Технический результат заключается в возможности получения высокой выходной мощности при оптимальных массогабаритных показателях. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство преобразования тока и напряжения, содержащее стержневой замкнутый трансформатор с размещенными на его сердечнике первичной и вторичной обмотками, связанными с входными и выходными выводами соответственно, отличающееся тем, что между внутренним слоем указанных обмоток и соответствующим стержнем сердечника трансформатора имеется зазор, служащий для прохождения вдоль него потока хладагента, формируемого узлом нагнетания потока хладагента, причем обе обмотки выполнены бескаркасным способом намотки, а величина площади поперечного сечения зазора составляет от 0,05 до 0,5 от величины площади наибольшего поперечного сечения трансформатора, причем указанные сечения расположены в плоскости, перпендикулярной направлению движения потока хладагента. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанные обмотки намотаны многожильным проводом с термостойкой изоляцией не более чем в три слоя. 3. Устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что узел нагнетания потока хладагента выполнен в виде вентилятора. 4. Устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что в нагнетаемом потоке хладагента размещен токоограничивающий дроссель, через обмотку которого осуществлена указанная связь первичной обмотки трансформатора с входными выводами. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что обмотка токоограничивающего дросселя, размещена на П-образном или Ш-образном сердечнике, прикрепленном к наружной поверхности сердечника трансформатора. 6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что обмотка токоограничивающего дросселя выполнена бескаркасным способом намотки многожильным проводом с термостойкой изоляцией.