ОДНОФАЗНЫЙ ИЗОЛИРУЮЩИЙ ТРАНСФОРМАТОР ДЛЯ АЭРОДРОМНЫХ СВЕТОСИГНАЛЬНЫХ СИСТЕМ Российский патент 2003 года по МПК H01F30/10 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электроиндукционным устройствам, и может быть применено в однофазных изолирующих трансформаторах, работающих в электрических цепях с последовательным питанием потребителей, а именно в аэродромных светосигнальных системах.

Известные однофазные изолирующие трансформаторы, которые используют в настоящее время в светосигнальных системах гражданских аэродромов РФ, выполнены, как правило, однотипно, а именно в виде тороидального магнитопровода с первичной и вторичной обмотками. Светосигнальные системы содержат несколько (до 50) кабельных колец (гирлянд), каждое из которых представляет собой электрическую цепь высокого напряжения до 5 киловольт, состоящую из ламп (в оборке - огни), до 100 ламп в кольце, изолирующих трансформаторов и регулятора яркости, который поддерживает в цепи стабильный ток в соответствии с установленной ступенью яркости. В каждом кабельном кольце первичные обмотки всех изолирующих трансформаторов соединены между собой последовательно и подключены к регулятору яркости, а вторичные обмотки изолирующих трансформаторов в качестве источников питания подключены к лампам (Ю.С. Басов. Светосигнальные устройства, Москва, Транспорт, 1993 г.).

Особенностью эксплуатации изолирующих трансформаторов является их питание стабильным током, который не изменяется в зависимости от наличия или отсутствия нагрузки на вторичной обмотке трансформатора. Поэтому в случае обрыва нагрузки, например при перегорании лампы (режим холостого хода), электромагнитная индукция в магнитопроводе достигает большой величины, и в магнитопроводе наступает насыщение. Следствием насыщения является искажение синусоидальной формы тока в первичной обмотке и соответствующее расширение его частотного спектра, что приводит к резкому росту гистерезисных потерь в магнитопроводе трансформатора и, следовательно, к его разогреву и к ускоренному старению изоляции трансформатора.

Кроме этого, изолирующий трансформатор, работающий в режиме холостого хода, вносит в кабельное кольцо значительную дополнительную индуктивность. При перегорании каждой последующей лампы индуктивное сопротивление кабельного кольца растет, а эквивалентное активное сопротивление кабельного кольца снижается. Из-за изменения соотношения между активным и индуктивным сопротивлениями падает коэффициент мощности, поэтому для сохранения эффективного значения тока, обеспечивающего необходимую яркость оставшихся ламп посадочных огней, увеличивают напряжение на зажимах кабельного кольца. Это приводит к повышению вероятности пробоя элементов кольца.

Кроме того, следствием искажения синусоидальной формы тока в обмотках трансформатора в режиме холостого хода является соответствующее ему искажение напряжения на вторичной обмотке, причем значение коэффициента формы может быть значительно больше единицы. Амплитуда напряжения холостого хода на вторичной обмотке изолирующих трансформаторов может доходить до двухсот-трехсот вольт, а в импульсе (в момент обрыва нити лампы) - до полутора тысяч вольт, вследствие чего резко возрастает вероятность пробоя изоляции первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Поскольку перегоревшие лампы в огнях светосигнальных систем заменяются только при закрытии аэропорта, т.е. не чаще одного раза в сутки, то изолирующие трансформаторы могут находиться в режиме холостого хода достаточно длительное время, что создает условия для значительного перегрева магнитопроводов и ускоренного старения изоляции, а также увеличения вероятности пробоя элементов кабельного кольца и изоляции первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Недостатком известных изолирующих трансформаторов являются невысокая надежность и низкий ресурс работы, а также увеличение вероятности пробоя элементов кабельного кольца, в котором работает изолирующий трансформатор.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к изобретению является однофазный изолирующий трансформатор для аэродромных светосигнальных систем, содержащий тороидальный магнитопровод, на котором установлены последовательно чередующиеся слои: изоляции, первичной обмотки, изоляции, вторичной обмотки и изоляции. Первичная обмотка подключена к регулятору яркости, который является источником стабильного тока. Вторичная обмотка подключена к потребителю: лампе огня аэродромной светосигнальной системы ("Трансформаторы изолирующие серии ИОТ". Техническое описание и инструкция по эксплуатации, БТЛИ.670111.006, 1984 г., лист 6, 7, раздел 3).

Недостатком известного изолирующего трансформатора являются невысокая надежность и низкий ресурс работы из-за нагрева магнитопровода и ускоренного старения изоляции. Это объясняется тем, что изолирующий трансформатор питается стабильным током, который не изменяется в зависимости от наличия иди отсутствия нагрузки на вторичной обмотке трансформатора, поэтому в режиме холостого хода электромагнитная индукция в магнитопроводе достигает большой величины, и в магнитопроводе наступает насыщение. Следствием насыщения является искажение синусоидальной формы тока в первичной обмотке и соответствующее расширение его частотного спектра, что приводит к резкому росту гистерезисных потерь в магнитопроводе трансформатора и, следовательно, к его разогреву. Поскольку у тороидального магнитопровода с многослойной обмоткой затруднен теплоотвод, то его нагрев продолжается до достижения критических температур, приводящих к ускоренному старению изоляции.

Кроме этого, повышенная вероятность пробоя изоляции первичной и вторичной обмоток трансформатора в случае перегорания лампы также приводит к уменьшению его надежности и снижению ресурса работы. Вероятность пробоя обмоток объясняется искажением синусоидальной формы тока в них и соответствующим ему искажением напряжения на вторичной обмотке, причем коэффициент формы в случае перегорания лампы может быть значительно больше единицы.

Кроме этого, недостатком известного изолирующего трансформатора является повышенная вероятность пробоя элементов кабельного кольца в случае перегорания одной из ламп. Это объясняется необходимостью увеличения напряжения на зажимах кабельного кольца для сохранения эффективного значение тока, обеспечивающего необходимую яркость оставшихся ламп посадочных огней, из-за значительного увеличения индуктивности в цепи первичной обмотки трансформатора.

Задачей настоящего изобретения является создание однофазного изолирующего трансформатора для аэродромных светосигнальных систем, который имеет высокую надежность и увеличенный ресурс работы, а также обеспечивает в режиме холостого хода работу элементов кабельного кольца без их пробоя, а в нагруженном режиме - отбор необходимой мощности из цепи, в которой поддерживается относительно большое значение тока (8,3 А для высшей ступени яркости) без увеличения физических размеров магнитопровода. Последнее объясняется тем, что для обеспечения необходимой выходной мощности изолирующие трансформаторы для аэродромных светосигнальных систем должны иметь в первичной обмотке значительное количество витков, вследствие чего увеличивается число ампер-витков до величины, вызывающей глубокое насыщение магнитопровода. В данном случае уменьшение насыщения магнитопровода за счет увеличения его физических размеров невозможно, поскольку тогда для изолирующих трансформаторов, работающих в аэродромных светосигнальных системах, длина средней линии магнитопровода должна быть увеличена в несколько раз.

Технический результат настоящего изобретения заключается в уменьшении электромагнитной индукции в режиме холостого хода, а также в нагруженном режиме, но при одновременном сохранении необходимой мощности на вторичной обмотке за счет увеличения магнитного потока в центральном стержне магнитопровода. Следствием уменьшения электромагнитной индукции является уменьшение магнитного насыщения и гистерезисных потерь в магнитопроводе.

Урезанный технический результат достигается тем, что в однофазном изолирующем трансформаторе, содержащем магнитопровод с первичной и вторичной обмотками, магнитопровод выполнен трехстержневым, при этом на центральном стержне установлена вторичная обмотка, а первичная обмотка содержит две секции, которые установлены на периферийных стержнях и соединены между собой с возможностью образования в центральном стержне магнитных потоков одного направления.

Кроме этого, секции первичной обмотки соединены последовательно.

Кроме этого, секции первичной обмотки соединены параллельно.

Кроме этого, центральный стержень выполнен с площадью поперечного сечения больше, чем площадь поперечного сечения периферийного стержня.

Кроме этого, стержни магнитопровода выполнены составными по крайней мере из двух частей.

Выполнение магнитопровода трехстержневым, а первичной обмотки из двух секций, которые размещены на периферийных стержнях, позволяет вдвое уменьшить число ампер-витков, возбуждающих электромагнитное поле в каждом периферийном стержне, что приводит к уменьшению напряженности и, следовательно, к уменьшению электромагнитной индукции в магнитопроводе.

Соединение секций первичной обмотки с возможностью образования в центральном стержне парциальных магнитных потоков одного направления позволяет получить увеличенный магнитный поток за счет сложения парциальных потоков, что приводит к получению в нагруженном режиме необходимой выходной мощности во вторичной обмотке при уменьшенной электромагнитной индукции.

Кроме этого, поскольку часть магнитного потока, создаваемого одной из секций первичной обмотки, ответвляется в противоположный периферийный стержень трехстержневого магнитопровода, то ответвленный поток, будучи направленный навстречу магнитному потоку, создаваемому второй секцией первичной обмотки, дополнительно уменьшает электромагнитную индукцию в периферийных стержнях трехстержневого магнитопровода.

Установление секций первичной обмотки на разные стержни (ярма магнитопровода свободны от обмоток) позволяет осуществить теплоотвод непосредственно от магнитопровода. Кроме этого, установление первичной и вторичной обмоток на разные стержни магнитопровода позволяет улучшить характеристики межобмоточной изоляции, а также повысить устойчивость к межобмоточному пробою.

Выполнение центрального стержня с площадью поперечного сечения, увеличенной по сравнению с периферийными стержнями, приводит к дополнительному уменьшению электромагнитной индукции.

Выполнение стержней магнитопровода составными по крайней мере из двух частей, позволяет повысить технологичность изготовления трансформатора.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена электрическая схема однофазного изолирующего трансформатора с последовательным соединением секций первичной обмотки, а на фиг.2 представлена электрическая схема однофазного изолирующего трансформатора с параллельным соединением секций первичной обмотки.

Трансформатор содержит трехстержневой магнитопровод 1, первичную обмотку 2 и вторичную обмотку 3. Вторичная обмотка 3 установлена на центральном стержне 4 магнитопровода 1. Первичная обмотка 2 содержит две секции 5, 6, которые выполнены одинаковыми. Секция 5 первичной обмотки 2 установлена на периферийном стержне 7 магнитопровода 1, а секция 6 первичной обмотки 2 установлена на периферийном стержне 8 магнитопровода 1. Магнитопровод 1 может быть выполнен из разрезных ленточных магнитопроводов типа ПЛВ, ШЛО или аналогичных, изготавливаемых из стали с малыми потерями. Стержни 4, 7, 8 могут быть выполнены составными по крайней мере из двух частей. Секции 5, 6 первичной обмотки 2 соединены между собой с возможностью образования в центральном стержне 4 магнитных потоков одного направления, при этом секции 5, 6 мотут быть соединены между собой последовательно (фиг.1) или параллельно (фиг. 2). Центральный стержень 4 может быть выполнен с площадью поперечного сечения большей, чем площадь поперечного сечения периферийного стержня 7, 8, например, в 2 раза, когда магнитопровод 1 выполнен из двух О-образных стержневых магнитопроводов. Вторичная обмотка 3 соединена с лампой (не показано), а первичная обмотка 2 - с источником питания (регулятором яркости - не показано).

Однофазный изолирующий трансформатор работает следующим образом.

В режиме холостого хода при протекании тока через секцию 5 первичной обмотки 2 в периферийном стержне 7 возникает электромагнитное поле с магнитным потоком, который разветвляется на парциальные магнитные потоки: в центральный стержень 4 и в периферийный стержень 8. При протекании тока через секцию 6 первичной обмотки 2 в периферийном стержне 8 возникает электромагнитное поле с магнитным потоком, который разветвляется на парциальные потоки: в центральный стержень 4 и в периферийный стержень 7. При этом в центральном стержне 4 парциальные магнитные потоки от электромагнитных полей, создаваемых секциями 5 и 6 первичной обмотки 2, в периферийных стержнях 7, 8 имеют одно направление, что обеспечивает их суммирование, т.е. увеличение величины магнитного потока. В периферийном стержне 7 парциальный магнитный поток, создаваемый секцией 6 первичной обмотки 2 при протекании через нее тока, вычитается из магнитного потока, создаваемого секцией 5 первичной обмотки 2, что приводит к уменьшению магнитного потока и магнитной индукции в периферийном стержне 7 и в ярмах, соединяющих стержень 7 с центральным стержнем 4. В периферийном стержне 8 парциальный магнитный поток, создаваемый секцией 5 первичной обмотки 2 при протекании через нее тока, вычитается из магнитного потока, создаваемого секцией 6 первичной обмотки 2, что приводит к уменьшению магнитного потока и магнитной индукции в периферийном стержне 8 и в ярмах, соединяющих стержень 8 с центральным стержнем 4. Уменьшение магнитной индукции в стержнях 7 и 8 и в ярмах магнитопровода 1 приводит к уменьшению индуктивности первичной обмотки 2 и к уменьшению гистерезисных потерь.

Под действием магнитного потока, протекающего через центральный стержень 4, во вторичной обмотке 3 наводится ЭДС, величина которой пропорциональна сумме парциальных магнитных потоков от секций 5 и 6 первичной обмотки 2. При подключении нагрузки к зажимам вторичной обмотки 3 по цепи начинает протекать ток, и в центральном стержне 4 создается магнитный поток, разветвляющийся на два парциальных магнитных потока, один из которых ответвляется в периферийный стержень 7, а второй - в периферийный стержень 8. Парциальные магнитные потоки, создаваемые током вторичной обмотки 3, в соответствии с законом Ленца направлены навстречу магнитным потокам, создаваемым секциями 5 и 6 первичной обмотки 2, что приводит к уменьшению магнитных потоков в магнитопроводе 1. Под действием парциального магнитного потока, создаваемого вторичной обмоткой 3 в периферийном стержне 7, в секции 5 первичной обмотки 2 наводится ЭДС, противоположная по фазе падению напряжения, создаваемому на этой секции током, протекающим через первичную обмотку 2, что приводит к уменьшению падения напряжения на секции 5 первичной обмотки 2. Под действием парциального магнитного потока, создаваемого вторичной обмоткой 3 в периферийном стержне 8, в секции 6 первичной обмотки 2 наводится ЭДС, противоположная по фазе падению напряжения, создаваемому на этой секции током, протекающим через первичную обмотку, что привадит к уменьшению падения напряжения на секции 6 первичной обмотки 2. В результате общее падение напряжения на первичной обмотке 2 уменьшается по сравнению с режимом холостого хода.

При условии одинакового количества витков первичных обмоток, одинакового тока в них и одинакового сечения магнитопроводов известного однофазного изолирующего трансформатора с тороидальным магнитопроводом и заявленного однофазного изолирующего трехстержневого трансформатора:
- напряженность магнитного поля в магнитопроводе трехстержневого трансформатора меньше, чем у тороидального, поскольку в каждом из периферийных стержней это поле создается только секцией первичной обмотки. Напряженность магнитного поля в центральном стержне может задаваться путем выбора площади его сечения. Например, при выполнении магнитопровода из двух ленточных О-образных сердечников (типа ПЛ, ПЛВ или аналогичных) напряженность оказывается такой же, как в периферийных стержнях. Это приводит к соответствующему снижению гистерезисных потерь, возникающих в режиме холостого хода при питании первичной обмотки стабильным током. Магнитный поток, который наводит ЭДС во вторичной обмотке центрального стержня, будучи пропорциональным площади его сечения, оказывается такой же величины, что и у сравниваемого тороидального трансформатора;
- каждый виток вторичной обмотки тороидального трансформатора взаимодействует с переменным магнитным полем магнитопровода, проходя через отверстие в магнитопроводе, только один раз, в то время как у трехстержневого трансформатора - два раза. В результате необходимое количество витков вторичной обмотки у трехстержневого трансформатора оказывается вдвое меньше, чем у сравниваемого тороидального трансформатора.

Использование: в электрических цепях с последовательным питанием потребителей, а именно в аэродромных светосигнальных системах. Трансформатор содержит трехстержневой магнитопровод. На центральном стержне установлена вторичная обмотка. Первичная обмотка выполнена из двух секций, установленных на периферийных стержнях и соединенных между собой с возможностью образования в центральном стержне магнитных потоков одного направления. Технический результат заключается в уменьшении электромагнитной индукции в режиме холостого хода, а также в нагруженном режиме при одновременном сохранении необходимой мощности на вторичной обмотке за счет увеличения магнитного потока в центральном стержне магнитопровода. Следствием уменьшения электромагнитной индукции является уменьшение магнитного насыщения и гистерезисных потерь в магнитопроводе. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Однофазный изолирующий трансформатор для аэродромных светосигнальных систем, содержащий магнитопровод с первичной и вторичной обмотками, отличающийся тем, что магнитопровод выполнен трехстержневым, при этом на центральном стержне установлена вторичная обмотка, а первичная обмотка содержит две секции, которые установлены на периферийных стержнях и соединены между собой с возможностью образования в центральном стержне магнитных потоков одного направления. 2. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что секции первичной обмотки соединены последовательно. 3. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что секции первичной обмотки соединены параллельно. 4. Трансформатор по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что центральный стержень выполнен с площадью поперечного сечения большей, чем площадь поперечного сечения периферийного стержня. 5. Трансформатор по п. 1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что стержни магнитопровода выполнены составными, по крайней мере, из двух частей.