ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 2014 года по МПК H01F30/12 H01F27/29 

Изобретение относится к трансформатору с по меньшей мере одним стержнем сердечника, на котором размещены рядом друг с другом три обмотки, отводы которых выведены соответственно изолированным образом относительно друг друга.

Трансформаторы, которые необходимы для выпрямителей переменного тока, то есть выпрямителей или инверторов, содержат, соответственно, несколько обмоток, состоящих из обмоток низкого напряжения и обмоток высокого напряжения, посредством которых соответствующее двухфазное или трехфазное переменное напряжение трансформируется на желательный уровень.

Подобным образом выпрямленный ток имеет, как правило, остаточную пульсацию, то есть еще остающуюся составляющую переменного напряжения сглаженного или отрегулированного питающего напряжения, после того как оно было выпрямлено выпрямителем и сглажено конденсатором и/или отрегулировано регулятором напряжения на более низкий уровень.

Для того чтобы эту остаточную пульсацию дополнительно снизить, часто используются 12-, 18- и 24-фазные выпрямительные схемы. За счет этого сглаживающий конденсатор часто может вообще отсутствовать. Другим большим преимуществом является почти синусоидальный входной ток и, тем самым, низкая нагрузка сети/трансформатора искажающей реактивной мощностью. Недостатком является усложнение обмоток трансформатора, который на вторичной стороне имеет обмотку, соединенную треугольником или звездой с соответственно равным полюсным напряжением. За счет такого выполнения обеспечивается сдвиг фазы 30° в случае 12 фаз. Для сдвига фазы 20° при 18 фазах или 15° при 24 фазах две смежные фазы должны соответственно суммироваться, за счет чего требуемый трансформатор становится еще более дорогостоящим, так как для каждой фазы необходима полная обмотка, то есть обмотка низкого напряжения и обмотка высокого напряжения, с отдельным в отводом.

Если такие обмотки размещены рядом друг с другом на общем стержне сердечника, то между размещенными рядом друг с другом обмотками необходимо предусмотреть выбираемое достаточно большим промежуточное пространство, которое необходимо для требуемого изолированного выведения проводников обмоток. Отсюда следует соответствующая пространственная протяженность таких трансформаторов, связанная с соответствующей потребностью в пространстве для размещения.

Однако часто обусловленное этим пространство не обеспечено, что ведет либо к значительным проблемам размещения или позволяет реализовать только более простые варианты схем, которые связаны с недостатком, заключающимся в нежелательной остаточной пульсации, то есть остатках переменного напряжения.

Исходя из охарактеризованного выше уровня техники, задачей настоящего изобретения является создание трансформатор вышеуказанного типа, который посредством технических мер обеспечивает возможность лучшего использования пространства и при минимально возможном конструктивном объеме позволяет разместить максимально возможное число обмоток.

Эта задача в соответствии с изобретением решается с помощью отличительных признаков пункта 1 формулы изобретения.

В соответствии с этим предусмотрено, что каждая обмотка образована ближней к сердечнику обмоткой низкого напряжения, вокруг которой намотана соответствующая обмотка высокого напряжения, что осевое расстояние между обмотками минимизировано по отношению друг к другу, и что отводы обмоток низкого напряжения выведены аксиально. При этом отводы обмоток высокого напряжения могут выводиться постоянно в радиальном направлении наружу.

Соответствующее изобретению решение проблемы пространства достигается также тем, что осевое расстояние по отношению друг к другу трех расположенных рядом обмоток, размещенных на стержне сердечника, уменьшается до минимума, который определяется требуемым расстоянием изоляции между обмотками, а также вытекающим отсюда взаимным влиянием вследствие электрических реактивных воздействий.

Это достигается тем, что отводы обмоток низкого напряжения выводятся не как прежде в радиальном направлении, что заметно повышает осевое расстояние между обмотками, а в соответствии с изобретением выводятся аксиально, то есть параллельно оси обмотки, в области между обмоткой низкого и высокого напряжения.

При этом предпочтительным образом оказалось особенно выгодным, что аксиальные, то есть выводимые параллельно оси обмотки или стержню сердечника, отводы снабжены, соответственно, усадочной трубчатой оболочкой в качестве изоляции и в качестве защиты. Эта изоляция выполнена соответственно электрическим нагрузкам, например, при общей мощности примерно 5 МВА с номинальным напряжением 2 кВ, испытательным напряжением 20 кВ и ударным напряжением 60 кВ, и имеет предпочтительно толщину изоляции (=толщине стенки) по меньшей мере 5 мм, предпочтительно 6 мм, то есть всего 12 мм, с которой суммируется толщина проводника.

Чтобы реализовать удобное для сборки выполнение, согласно предпочтительной форме выполнения изобретения, предусмотрено, что отводы обмоток низкого напряжения выведены с одной стороны параллельно стержню сердечника, то есть все электрические выводы обмоток низкого напряжения размещены на одной стороне выполненного таким образом трансформатора.

В качестве альтернативы, согласно другой форме выполнения изобретения, также может быть предусмотрено, что отводы одной размещенной снаружи обмотки низкого напряжения выведены к одной стороне, а отводы обеих других обмоток низкого напряжения выведены аксиально параллельно стержню сердечника к противолежащей стороне. Это выполнение принимается во внимание особенно в том случае, если в распоряжении имеется достаточное пространство для размещения.

По причинам симметрии, относительно как электрических, так и механических свойств, предпочтительной является круговая форма обмотки. Если теперь отводы расположенных внутри обмоток низкого напряжения выводятся наружу аксиально, то есть параллельно оси обмотки вдоль окружности, то по окружности вынужденным образом возникают места помех, которые, при навитых на них обмотках высокого напряжения, вынужденным образом приводят к локальным отклонениям от круговой формы, например, к яйцеобразным поперечным сечениям обмоток.

Здесь оказалось особенно предпочтительным, что отводы обмоток низкого напряжения выведены со смещением на 120° по отношению друг к другу по окружности параллельно стержню сердечника. За счет этого достигается по меньшей мере приближенно сравнительная равномерность окружности обмотки. Одновременно за счет пространственного разделения отводов различных обмоток низкого напряжения по окружности можно существенным образом снизить возможное взаимное электрическое влияние.

Вместо круговой формы в соответствии с изобретением, разумеется, может применяться также прямоугольная форма или овальная форма для выполнения поперечного сечения обмотки. Однако при этом предпочтительным образом постоянно уделяется внимание по возможности равномерной геометрии обмоток.

Для того чтобы получить по возможности равномерную форму каждой завершенной обмотки, то есть состоящей из обмотки низкого напряжения и обмотки высокого напряжения, согласно предпочтительному дальнейшему развитию изобретения предусмотрено, что в области между частичными обмотками, то есть между обмоткой низкого напряжения и обмоткой высокого напряжения, размещены распределенные равномерно по окружности чашеобразные вкладыши из изолирующего материала.

Эти вкладыши служат тому, чтобы заполнять не занятое отводом обмотки пространство и, тем самым, компенсировать любое отклонение обмотки от заданной равномерной формы и вообще не допускать появления таких нежелательных отклонений. В соответствии с этим толщина таких изолирующих оболочек выбирается таким образом, что она соответствует толщине отводов.

Предпочтительным образом каждый из расположенных между обмотками чашеобразных вкладышей по окружному направлению имеет такую ширину, что между смежными по окружности оболочками вкладышей остается соответствующий зазор, в который может быть введен соответствующий отвод. При этом подобная оболочка вкладыша продолжается по окружности максимально настолько, что, например, при трех оболочках вкладышей получается не перекрытая остаточная площадь, ширина которой соответствует ширине трех отводов.

При необходимости, эти изолирующие оболочки могут быть выполнены модульными или унифицированными, так что при изготовлении обмотки соответствующее положение соответствующего отвода уже задано. Так, например, для одностороннего вывода соответствующих отводов может быть предусмотрено, что для самой удаленной относительно стороны подключения первой обмотки окружности обмотки до собственно отвода не предусматривается никакого промежуточного пространства, для последующей средней обмотки предусматривается соответствующее промежуточное пространство для первой, а также для средней и для самой ближайшей к стороне подключения третьей обмотки в целом предусматриваются три промежуточных пространства. При этом соответственно предусмотренные промежуточные пространства находятся на одной прямой с соответствующими промежуточными пространствами соседних обмоток.

Соответственно другому предпочтительному выполнению изобретения, параллельно промежуточным пространствам для соответствующих отводов обмоток низкого напряжения, в чашеобразных вкладышах могут быть предусмотрены также зазоры для каналов охлаждения, через которые протекает или циркулирует газ, например воздух, или другая текучая среда в качестве охладителя.

Соответственно другому предпочтительному варианту выполнения изобретения, оказывается предпочтительным полные обмотки, то есть обмотки, образованные из обмотки низкого напряжения и обмотки высокого напряжения, совместно с изоляцией отводов залить полимером, так что после изготовления завершенной обмотки можно не беспокоиться ни о каком ущербе или нанесении повреждений отдельным обмоткам.

В принципе, трансформатор, соответствующий изобретению, может содержать три или более, снабженных соответствующими тремя или более, например, четырьмя расположенными рядом друг с другом обмотками низкого напряжения и намотанными на них обмотками высокого напряжения, стержня сердечника, концы которых соответственно связаны посредством ярма. При этом оказывается предпочтительным отдельные стержни сердечника разместить рядом друг с другом в общей плоскости.

При четырех или более обмотках на каждый стержень сердечника отводы, как уже описано выше, по окружности соответствующей обмотки низкого напряжения выведены также наружу в сторону, а именно, либо в одну сторону, либо, например, симметрично в обе стороны.

Эти и другие предпочтительные выполнения и усовершенствования изобретения являются предметом зависимых пунктов.

С помощью изображенного на приложенных чертежах примера выполнения изобретения далее более подробно поясняются и описываются изобретение, предпочтительные выполнения и усовершенствования изобретения.

На чертежах показано следующее:

Фиг.1 - трансформатор с обычным размещением обмоток согласно уровню техники в схематичном представлении со стороны;

Фиг.2 - трансформатор согласно изобретению с соответственно тремя рядом расположенными на стержне сердечника обмотками; и

Фиг.3 - поперечное сечение через обмотку согласно сечению по линии А-А на фиг.2 с выведенными через него отводами обмоток низкого напряжения.

На фиг.1 показан трансформатор 10, например, для применения для выпрямителя или инвертора, в схематичном представлении со стороны, который выполнен в обычной конфигурации обмоток 1-9 согласно уровню техники, при котором соответственно три обмотки 12 расположены рядом друг с другом на общем стержне 22 сердечника. Всего предусмотрено три стержня 22 сердечника, на которые намотаны обмотки 12, обозначенные номерами с 1 по 9, соответственно. Обмотки 12 состоят, соответственно, из обмотки 14 низкого напряжения и радиально прилегающей к ней обмотки 16 высокого напряжения.

Структура сердечника трансформатора состоит в показанном на фиг.1 примере согласно уровню техники из трех параллельно друг другу расположенных стержней 22 сердечника, на концах которых соответствующее сплошное ярмо 24 замыкает магнитный контур.

Так как размещенные на каждом сердечнике 22 сердечника обмотки 12 имеют при этом такое расстояние по отношению друг к другу, что гарантируется достаточная изоляция для радиально выводимых между ними отводов 20 обмоток 14 низкого напряжения. Отводы 18 обмоток 16 высокого напряжения выводятся также радиально на внешней окружности каждой обмотки 12.

В общем случае этот тип конструкции не является достаточно компактным, и требуется значительное пространство для размещения такого трансформатора. Пространство обычно отводится ограниченным образом и часто полностью используется, так что существует настоятельная потребность в уменьшенных размерах для таких трансформаторов.

С этой целью используется изобретение, которое соответствует показанному на фиг.2 трансформатору 11 также в схематичном представлении со стороны.

Показанный на фиг.2 трансформатор 11 также предусмотрен для применения для выпрямителей и/или инверторов и имеет также в соответствии с этим всего девять новых обмоток 32, которые также, то есть аналогично обмоткам показанного на фиг.1 трансформатора 10, обозначены номерами от 1 до 9.

Каждая из соответственно трех расположенных рядом друг с другом обмоток 32 состоит из обмотки 34 низкого напряжения и радиально снаружи навитой на нее обмотки 36 высокого напряжения, которые центрально пересекаются стержнем 22 сердечника, который, соответственно, соединен на обоих концах механически с ярмом 24 и таким образом замыкает магнитный контур.

И здесь отводы 28 обмотки 36 высокого напряжения выводятся соответственно радиально наружу, в то время как отводы 30 обмотки 34 низкого напряжения на ее окружности выводятся аксиально, то есть параллельно ее оси обмотки или параллельно направлению ориентации стержня 22 сердечника трансформатора 11, в области между обмоткой 34 низкого напряжения и обмоткой 36 высокого напряжения, соответственно, в одну сторону.

На фиг.3 показан вид в сечении поперечного сечения обмотки 32 вдоль секущей линии А-А на фиг.2, на котором можно видеть вышеупомянутую область между обмоткой 34 низкого напряжения и обмоткой 36 высокого напряжения как кольцевой зазор 35.

Эта выполненная как кольцевой зазор 35 область, в которой выведены отводы 30, требуется уже по причинам электрической изоляции обеих частичных обмоток, а именно, обмотки 34 низкого напряжения и обмотки 36 высокого напряжения, которые находятся на различном уровне напряжения. К тому же также отводы 30 должны быть изолированными по отношению к другим обмоткам 32. Это приводит к высоте кольцевого зазора 35 по меньшей мере 20 мм, в котором проходят отводы 30 и который в остальном заполнен изолирующим материалом в качестве вкладыша 38.

В соответствии с изобретением в этом подробно показанном на фиг.3 кольцевом зазоре 35 аксиально выведены соответствующие отводы 30 обмоток 34 низкого напряжения расположенных рядом друг с другом на общем стержне 22 сердечника обмоток 32.

Как можно ясно видеть на фиг.2, боковое расстояние между обмотками 32, благодаря соответствующему изобретению расположению отводов 30 параллельно оси по отношению к оси обмоток или к продольной оси стержня 22 сердечника, может быть существенно уменьшено, что, по сравнению с обычными трансформаторами 10 согласно уровню техники, имеет следствием заметно меньшую ширину соответствующего изобретению трансформатора 11 при одинаковых параметрах мощности.

На фиг.3, как уже упомянуто, показано представление сечения через обмотку 32 вдоль приведенной на фиг.2 секущей линии А-А. Оно показывает, прежде всего, обмотку 34 низкого напряжения вокруг центрального сердечника 22. К ней примыкает также уже упомянутая область, обозначенная как кольцевой зазор 35, в котором размещены аксиально проходящие отводы 30 обмоток 34 низкого напряжения с угловым смещением примерно 120° относительно окружности.

Кроме того, в кольцевом зазоре предусмотрены вкладыши 38, которые служат для того, чтобы электрически отделять друг от друга обмотку 34 низкого напряжения и обмотку 36 высокого напряжения, а также сохранять круговую форму обмотки 32. Одновременно в кольцевом зазоре 35 также размещены аксиально проходящие каналы 40 для охлаждающей текучей среды, которая протекает через них и при этом отводит тепло, являющееся результатом токовой нагрузки обмоток 32.

Перечень ссылочных позиций

10 - трансформатор

11 - трансформатор

12 - обмотка

14 - обмотка низкого напряжения

16 - обмотка высокого напряжения

18 - отвод высокого напряжения

20 - отвод низкого напряжения

22 - стержень сердечника

24 - ярмо

28 - отвод высокого напряжения

30 - отвод низкого напряжения

32 - обмотка

32 - обмотка низкого напряжения

35 - кольцевой зазор

36 - обмотка высокого напряжения

38 - вкладыш

40 - канал охлаждения

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в уменьшении габаритов. Трансформатор (11) содержит по меньшей мере один стержень (22) сердечника, на котором размещены рядом одна с другой три обмотки (32), отводы (28, 30) которых выведены соответственно изолированным образом относительно друг друга. Каждая обмотка (32) образована ближней к сердечнику обмоткой (34) низкого напряжения, вокруг которой намотана соответствующая обмотка (36) высокого напряжения. Отводы (30) обмоток (34) низкого напряжения выведены аксиально, так что боковое расстояние между обмотками (32) по отношению друг к другу минимизировано. 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Трансформатор (11) с по меньшей мере одним стержнем (22) сердечника, на котором размещены рядом одна с другой три обмотки (32), отводы (28, 30) которых выведены соответственно изолированным образом относительно друг друга, отличающийся тем, что каждая обмотка (32) образована ближней к сердечнику обмоткой (34) низкого напряжения, вокруг которой намотана соответствующая обмотка (36) высокого напряжения, и что отводы (30) обмоток (34) низкого напряжения выведены аксиально, так что боковое расстояние между обмотками (32) по отношению друг к другу минимизировано.

2. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что отводы (30) обмоток (34) низкого напряжения выведены параллельно стержню (22) сердечника, соответственно, в области (35) между обмоткой (34) низкого напряжения и обмоткой (36) высокого напряжения.

3. Трансформатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что отводы (30) обмоток (34) низкого напряжения выведены со смещением на 120° по отношению друг к другу по окружности параллельно стержню (22) сердечника.

4. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что отводы (30) обмоток (34) низкого напряжения выведены к одной стороне параллельно стержню (22) сердечника.

5. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что отводы (30) одной размещенной ближе к ярму обмотки (34) низкого напряжения выведены к одной стороне, а отводы (30) обеих других обмоток (34) низкого напряжения выведены аксиально параллельно стержню (22) сердечника к противолежащей стороне.

6. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что выведенные аксиально параллельно стержню (22) сердечника отводы (30) снабжены, соответственно, усадочной трубчатой оболочкой.

7. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что между обмотками (34) низкого напряжения и окружающими обмотками (36) высокого напряжения размещены чашеобразные вкладыши (38), радиальная протяженность которых примерно соответствует толщине отвода (30), и которые таким образом формируют кольцевой зазор (35) между обмоткой (34) низкого напряжения и обмоткой (36) высокого напряжения.

8. Трансформатор по п.7, отличающийся тем, что между каждым из размещенных между обмотками (34, 36) низкого и высокого напряжения чашеобразных вкладышей (38) остается параллельный оси свободный зазор для отвода (30).

9. Трансформатор по п.7, отличающийся тем, что каждый из размещенных между обмотками (34, 36) низкого и высокого напряжения чашеобразных вкладышей (38) имеет такую ширину, что он продолжается в угловой области менее 120°.

10. Трансформатор по п.7, отличающийся тем, что в кольцевом зазоре (35) предусмотрен по меньшей мере один канал (40) для протекания охлаждающей текучей среды.

11. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что предусмотрены три снабженные соответствующими тремя расположенными рядом друг с другом обмотками (32), образованными из обмоток (34) низкого напряжения и обмоток высокого напряжения, стержня (22) сердечника, концы которых соответственно по обе стороны связаны посредством ярма (24).