РЕГУЛИРУЕМЫЙ ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 2004 года по МПК H01F29/10 H01F21/06 

Изобретение относится к основным элементам электрического оборудования, а именно к регулируемым трансформаторам, имеющим подвижный участок в магнитной цепи, и может быть использовано для экономичного электроснабжения.

Известен автотрансформатор для регулирования напряжения в небольших пределах, в котором часть витков обмотки используется в качестве первичной цепи. Между первичной и вторичной цепями такого автотрансформатора существует электрическая и магнитная связь. Для регулирования выходного напряжения используется скользящий контакт (Данилов И.А., Иванов Т.М. Общая электротехника с основами электроники. М.: Высшая школа, 1989 г., стр.194). Недостатком известного автотрансформатора является то, что электрическое соединение первичной и вторичной цепей повышает опасность при эксплуатации аппарата, т.к. при пробое изоляции в понижающем автотрансформаторе оператор может оказаться под высоким напряжением первичной цепи.

Известен сварочный трансформатор, в котором для изменения выходного напряжения используют шунтирующий магнитопроводящий стержень, через который замыкается часть основного магнитного потока. Изменяя значение воздушного зазора шунтирующим стержнем, можно изменять магнитный поток рассеяния и соответственно напряжение на выходе трансформатора. Так, в сварочном трансформаторе СТЭ в цепь вторичной обмотки включают специальный дроссель с регулируемым воздушным зазором, а в трансформаторе ТС 500 изменяют расстояние между первичной и вторичной обмотками (Данилов И.А., Иванов Т.М. Общая электротехника с основами электроники. М.: Высшая школа, 1989 г., стр.198). Указанные сварочные трансформаторы имеют ограниченные условия применения, т. к. применяются только в однофазных цепях.

Кроме того, в описанных устройствах к причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, относится то, что их применение для регулирования выходного напряжения является трудоемким процессом, требующим дорогостоящей дополнительной аппаратуры и использования сложных схем управления и регулирования.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков является трехфазный регулируемый трансформатор, который содержит симметричный пространственный магнитопровод, состоящий из трех стержней, двух крайних ярм и среднего ярма, первичную обмотку с катушками, размещенными на среднем ярме, две вторичные обмотки, катушки одной из которых размещены на стержнях по одну сторону среднего ярма, а катушки другой - на стержнях по другую сторону среднего ярма, и две группы обмоток подмагничивания. (А. с. СССР 1372390, кл. Н 01 F 29/14, опубл. БИ 5, 1988 г.)
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в известном устройстве магнитопровод имеет сложную пространственную структуру. Наличие обмоток подмагничивания тоже усложняет схему трансформатора, что создает определенные ограничения в обеспечении процесса плавного регулирования.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является получение возможности безопасного и плавного регулирования выходного напряжения трехфазного трансформатора.

Технический результат - бесконтактное регулирование выходного напряжения трехфазного трансформатора непосредственно под нагрузкой или без нее за счет перераспределения магнитного потока, отсутствие потерь активной мощности при регулировании, т.е. получение экономичного и безопасного регулирования.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном регулируемом трансформаторе, содержащем первичную трехфазную обмотку, подключенную к сети, вторичную трехфазную обмотку, подключенную к нагрузке, разветвленную магнитную цепь, состоящую из трех стержней, верхнего, среднего и нижнего ярма, согласно изобретению в качестве верхнего ярма используют установленный с возможностью поворота вокруг своей оси и выполненный из двух продольных частей цилиндр, одна из которых состоит из ферромагнитного материала, а другая - из диэлектрика, при этом среднее ярмо расположено так, что образует на стержнях верхние и нижние участки, причем верхние участки отличаются от нижних по площади сечения и высоте, вторичная обмотка каждой фазы выполнена из двух частей, при этом витки одной части расположены на нижних участках стержней, а витки другой части на верхних участках, причем витки обеих частей соединены последовательно и согласно.

Отличительными признаками заявляемого изобретения от прототипа является то, что разветвленная магнитная цепь выполнена не пространственной, а плоской; отсутствуют шесть обмоток подмагничивания, перераспределение магнитного потока осуществляется с помощью трех стержней, которые имеют три верхних и три нижних участка и три ярма. Кроме того, регулирование осуществляется не за счет сложной пространственной структуры магнитопровода, а за счет введения в магнитную цепь подвижного участка, в качестве которого используется верхнее ярмо.

Использование в качестве верхнего ярма установленного с возможностью поворота вокруг своей оси цилиндра представляет собой не что иное, как введение в разветвленную магнитную цепь подвижного участка магнитопровода, изменение положения которого относительно остальных неподвижных участков позволяет изменять магнитное сопротивление всей магнитной цепи трансформатора и соответственно напряжение на вторичной обмотке. Использованием цилиндрической поверхности такого подвижного участка достигается возможность плавного регулирования процесса. Выполнение цилиндра из двух продольных частей, одна из которых состоит из ферромагнитного материала, например из обычных пластин электротехнической стали, а другая - из диэлектрика, обеспечивает то, что плавным поворотом цилиндра можно изменять площадь соприкосновения его ферромагнитной части с ферромагнитными участками неподвижных элементов магнитной цепи. Это эквивалентно изменению сечения подвижного магнитопровода (или изменению воздушного зазора в цепи). При повороте цилиндра на 180^o из оптимального положения (наибольшая площадь соприкосновения ферромагнитной части цилиндра с ферромагнитными участками неподвижных элементов магнитной цепи) цилиндр соприкасается с ферромагнитными участками магнитопровода только диэлектриком, его магнитное сопротивление наибольшее, т.е. эквивалентно тому, что в магнитной цепи появился воздушный зазор. Напряжение на выходе трансформатора соответственно наименьшее. Эксперименты с однофазным трансформатором показывают, что напряжение на выходе уменьшается в этом случае до 0,5 U_ном.

Расположение среднего ярма так, что при этом образуются верхние и нижние участки стержней, позволяет заранее предопределять диапазон регулирования выходного напряжения на стадии проектирования.

Выполнение верхних и нижних участков стержней различными по площади сечения и высоте позволяет перераспределять магнитный поток, причем количественное перераспределение магнитного потока также можно задавать на стадии проектирования путем выбора соотношения площадей сечения и высот верхних и нижних участков стержней. Площадь сечений и высота верхних и нижних участков определяют соотношения между магнитными потоками верхнего и среднего ярма, т.е. выходное напряжение вторичной обмотки, т.к. перераспределение магнитных потоков определяет напряжение на выходе трансформатора.

При увеличении магнитного сопротивления верхнего ярма большая часть магнитного потока, создаваемого первичной обмоткой, замыкается через среднее ярмо, что приводит к уменьшению напряжения вторичной обмотки, так как витки вторичной обмотки, расположенные на верхней части стержня, пересекаются меньшим магнитным потоком.

Изобретение поясняется схемой устройства, изображенной на фиг.1а и фиг. 1б.

Устройство (фиг.1а) содержит нижнее ярмо 1, среднее ярмо 2, верхнее ярмо 3, подвижный цилиндр 4, нижние участки стержней 5, 6, 7; верхние участки стержней 8, 9, 10, а также первичную обмотку А-Х и вторичную обмотку а-х, состоящую из двух частей.

Сечение трех верхних участков стержней примерно вдвое меньше сечения нижних участков стержней, а сечение среднего ярма примерно вдвое меньше сечения нижнего ярма.

Сечением верхних участков стержней и среднего ярма на стадии проектирования трансформатора можно варьировать (изменять), предопределяя заранее диапазон регулирования выходного напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Верхние участки стержней выполняются короче нижних участков стержней, так как на них располагается только часть витков вторичной обмотки (около половины витков вторичной обмотки).

Первичная трехфазная обмотка обычная, как у любого другого трехфазного трансформатора; все витки каждой фазы первичной обмотки располагаются на нижних участках стержней соответственно.

Вторичная обмотка, например, фазы А (а-х) состоит из двух частей, одна часть витков обмотки располагается на нижнем участке стержней, вторая часть витков обмотки располагается на верхнем участке стержней.

Витки обеих частей соединяются последовательно и согласно, образуя одну вторичную фазную обмотку.

Аналогично соединяются витки двух других фазных обмоток трансформатора на других стержнях соответственно.

Отношением числа витков, расположенных на верхнем участке стержня, к числу витков, расположенных на нижнем участке стержня, можно заранее, т.е. на стадии проектирования, задавать необходимый диапазон регулирования напряжения вторичной обмотки.

Общее число витков вторичной обмотки определяет величину наибольшего выходного напряжения U_max2. При оптимальном положении подвижного цилиндра, т.е. при наименьшем магнитном сопротивлении верхнего ярма, U_max2 должно быть не менее 1,1U_ном2, так как дальнейшее регулирование, т.е. перемещение подвижного цилиндра, будет увеличивать магнитное сопротивление и уменьшать выходное напряжение вторичной обмотки трансформатора.

Верхнее ярмо 3 может быть выполнено из двух частей (фиг.2), первая часть неподвижная (ее может и не быть) жестко соединяет концы верхних стержней магнитной цепи в единое целое и представляет собой желоб (в сечении - полуокружность), в котором размещена вторая часть ярма - подвижный цилиндр. Цилиндр также состоит из двух продольных половин; одна половина цилиндра выполнена из ферромагнитного материала (пластин электротехнической стали), а вторая половина выполнена из диэлектрика (дерево, пластмасса, текстолит и т. п. ). Обе половины жестко соединены между собой, образуя единый цилиндр, который можно плавно поворачивать в желобе вокруг своей оси вручную или с помощью электродвигателя (питающегося от цепи управления).

На стадии проектирования для увеличения диапазона регулирования неподвижную часть верхнего ярма, соединяющую концы верхних участков стержней, можно исключить из устройства, оставляя только подвижный цилиндр, который будет поворачиваться в выемках (полуокружностях), предусмотренных непосредственно в самих концах верхних участков стержней (фиг.2б).

Верхнее ярмо может иметь и другую конструкцию. На фиг.2в, г, д, е показаны варианты конструкции верхнего ярма. На фиг.2в, г показано прямоугольное (в виде параллелепипеда) верхнее ярмо, которое может перемещаться вертикально или горизонтально, как указано стрелками на фиг.2г, или поворачиваться на шарнирах (фиг.2в).

Можно аналогично перемещать только часть ярма, например половину ярма (фиг. 2д, е), когда не требуется более глубокий диапазон регулирования выходного напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Предлагаемое устройство является простым и удобным в эксплуатации. Плавным поворотом подвижного цилиндра можно плавно регулировать выходное напряжение трансформатора в диапазоне от 0,5U_2ном до 1,1U_2ном.

Диапазон регулирования можно изменять на стадии проектирования с помощью соответствующего подбора сечений участков стержней и количества витков вторичной обмотки на них. Регулирование можно производить как непосредственно под нагрузкой трансформатора, так и без нее.

Регулирование осуществляется за счет перераспределения магнитного потока, поэтому потерь активной мощности при регулировании нет, т.е. регулирование получается экономичным и безопасным.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в основных элементах электрического оборудования для экономичного электроснабжения. Технический результат заключается в безопасном и плавном регулировании выходного напряжения. Устройство содержит три стержня, верхнее, среднее и нижние ярма. На нижних участках стержней расположены фазы первичной обмотки. Каждая фаза вторичной обмотки состоит из двух частей, одна из которых расположена на нижнем участке, а другая - на верхнем участке стержней. Верхнее ярмо выполнено в виде цилиндра, состоящего из двух продольных частей, одна из которых из ферромагнитного материала, а другая - из диэлектрика. Цилиндр можно плавно поворачивать вокруг своей оси, регулируя выходное напряжение трансформатора. 2 ил.

Регулируемый трансформатор, содержащий первичную трехфазную обмотку, подключенную к сети, вторичную обмотку, подключенную к нагрузке, разветвленную магнитную цепь, состоящую из трех стержней, верхнего, среднего и нижнего ярма, отличающийся тем, что в качестве верхнего ярма используют установленный с возможностью поворота вокруг своей оси и выполненный из двух продольных частей цилиндр, одна из которых состоит из ферромагнитного материала, а другая - из диэлектрика, при этом среднее ярмо расположено так, что образует на стержнях верхние и нижние участки, причем верхние участки отличаются от нижних по площади сечения и высоте, вторичная обмотка каждой фазы выполнена из двух частей, при этом витки одной части расположены на нижних участках стержней, а витки другой части - на верхних участках, причем витки обеих частей соединены последовательно и согласно.