ТРАНСФОРМАТОР С ТРЕХФАЗНОЙ, КРУГОВОЙ СИЛОВОЙ И КРУГОВОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ ОБМОТКАМИ Российский патент 2015 года по МПК H01F30/14 H02K1/16 

Область использования. Изобретение относится к трансформаторостроению и может быть использовано в многофазных полупроводниковых преобразователях, в частности в выпрямителях, инверторах и преобразователях частоты.

Уровень техники. Из уровня техники известен многофазный трансформатор с вращающимся магнитным полем, содержащий средний магнитопровод, шихтованный из пакетов разного профиля с пазами на торцевых, внутренних и боковых поверхностях, в которые уложены трехфазная и многофазная обмотки. Два крайних пакета среднего шихтованного магнитопровода имеют пазы на полную высоту катушечной группы. Центральная часть среднего шихтованного магнитопровода имеет пазы у наружной и внутренней поверхностей для укладки в них витков обмоток. Дополнительные магнитопроводы выполнены витыми без пазов. (Патент РФ №2305339, МПК H01F 30/14, H02M 5/14, 2007 г.). К недостаткам данного аналога относятся следующие факторы:

- наличие прямого открытого паза, в силу чего в кривой магнитного поля появляются трудно удаляемые зубцовые гармонические составляющие с относительными частотами ν_Z=kZ/p±1, где:

k - числа натурального ряда (1, 2, 3, …);

Z - число пазов;

p - число пар полюсов обмотки;

- низкий коэффициент использования электротехнической стали вследствие раннего насыщения магнитной системы при низких значениях магнитодвижущей силы (МДС);

- значительный воздушный зазор между центральным и боковыми витыми магнитопроводами.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является многофазный трансформатор с вращающимся магнитным полем, содержащий средний витой магнитопровод с пазами на торцевых поверхностях, в которые уложены первичная трехфазная обмотка и два боковых витых магнитопровода с пазами на торцевых поверхностях, примыкающих к торцам среднего витого магнитопровода с многофазными обмотками, каждая из которых охватывает тот боковой магнитопровод, в пазы которого она уложена (Патент РФ №2115186, МПК H01F 30/14, H02M 5/14, 1998 г.). Данное изобретение принято за прототип.

К недостаткам прототипа можно отнести следующее:

- применение в качестве выходной многофазной многолучевой обмотки, что существенно усложняет технологию изготовления трансформатора с вращающимся магнитным полем;

- применение открытых пазов в наружной и внутренней частях среднего шихтованного магнитопровода;

- наличие значительных магнитных потоков рассеяния в связи с намоткой обмоток по цилиндрической поверхности среднего витого магнитопровода, не имеющей пазов на боковой поверхности, так как пазы у среднего магнитопровода проточены только на его торцевых поверхностях;

- применение диаметрального шага обмоток, которое приводит к появлению у трансформатора лобовых частей, исключающих плотное прилегание боковых витых магнитопроводов к среднему витому магнитопроводу через тонкую немагнитную прокладку;

- применение трехфазной и круговой обмоток с диаметральным шагом, что негативно сказывается на качестве питающего и выходного напряжения;

- применение дополнительных боковых витых магнитопроводов, что существенно увеличивает массу, габариты и стоимость трансформатора;

- относительно низкие значения коэффициента полезного действия (КПД) и коэффициента мощности.

Задача изобретения. Изобретение позволяет устранить основные недостатки прототипа. Новый трансформатор с вращающимся магнитным полем (ТВМП) превосходит прототип по линейности характеристик, КПД и коэффициенту мощности, так как его конструкция позволяет получать регулируемый воздушный зазор за счет немагнитных прокладок (от нуля до требуемой оптимальной величины). Немагнитные прокладки устанавливаются в средней части общего магнитопровода на границе соприкосновения боковых поверхностей четырех пакетов, составленных из двух внутренних и двух наружных шихтованных магнитопроводов, сдвинутых между собой на ширину одного паза. За счет применения составного магнитопровода у которого в средней части обеспечивается контакт боковых поверхностей двух пар однотипных пакетов, практически исключается влияние воздушных зазоров между усеченными на половину паза зубцами и зубцами, выполненными на полную высоту паза и наружным магнитопроводом, на основной поток намагничивания ТВМП. Кроме того, снижаются габариты магнитопровода за счет исключения двух дополнительных боковых витых магнитопроводов, одновременно улучшается качество питающего и выходного напряжения преобразователя за счет изготовления шихтованного цилиндрического магнитопровода ТВМП с полузакрытым пазом, замены трехфазной и круговой силовой обмотки с диаметральным шагом на обмотки с укороченным шагом, намотки дополнительной низковольтной информационной круговой обмотки подобной силовой круговой обмотке, что повышает точность и надежность синхронизации устройства управления преобразователем, позволяет подавлять высшие пространственные гармонические составляющие магнитного поля, а также зубцовые гармонические составляющие за счет применения при намотке обмоток дробного числа пазов на полюс и фазу, вызывает снижение магнитных потоков рассеяния лобовых частей обмоток ТВМП и способствует увеличению его установленной мощности, повышению КПД до 95% и коэффициента мощности с 0,8 до 0,9.

Раскрытие изобретения. Сущность изобретения состоит в том, что ярмо внутреннего шихтованного цилиндрического магнитопровода включает два пакета, каждый из которых содержит чередующиеся друг за другом зубцы разного профиля: один выполнен на половину высоты паза, а следующий за ним - на полную высоту паза, причем эти пакеты сдвинуты друг относительно друга на один паз таким образом, чтобы полный зубец одного пакета торцевой поверхностью соприкасался с цилиндрической поверхностью наружного магнитопровода, образуя исчезающе малый воздушный зазор, а боковой поверхностью соприкасался с боковой поверхностью усеченного зубца другого пакета, при этом на границе соприкосновения боковых поверхностей двух смежных пакетов получается воздушный зазор, который можно регулировать за счет немагнитных прокладок (от нуля до требуемой оптимальной величины).

Наружные шихтованные кольцевые магнитопроводы, выполненные в виде двух цилиндров, содержат на своей внутренней поверхности только усеченные зубцы высотой, равной половине высоты паза. Один пакет наружного шихтованного кольцевого магнитопровода надвигается на один из двух пакетов внутреннего ярма со сдвигом на один паз по часовой стрелке, а другой пакет наружного магнитопровода надвигается на второй пакет внутреннего ярма со сдвигом на один паз против часовой стрелки таким образом, чтобы усеченные зубцы двух внутренних и двух наружных магнитопроводов при объединении в общий магнитопровод совпали и сформировали вместе с целыми зубцами, принадлежащими только внутренним магнитопроводам, полузакрытые пазы на полную высоту катушечных групп, при этом между усеченными зубцами двух магнитопроводов образуются исчезающе малые нерегулируемые воздушные зазоры.

В полузакрытые пазы укладываются укороченные трехфазная, круговая силовая и круговая информационная обмотки с отводами, причем число пазов на полюс и фазу для трехфазной и круговых обмоток выбирается дробным.

В результате применения двух пар составных, сдвинутых на один паз внутренних и двух составных, сдвинутых на один паз наружных шихтованных магнитопроводов, соприкасающихся боковыми поверхностями в средней части общего магнитопровода, образуется единая магнитная система, в которой между боковыми поверхностями сдвинутых шихтованных магнитопроводов формируется требуемый воздушный зазор, обеспечивающий необходимую линейность основной кривой намагничивания магнитопровода всего ТВМП, что позволяет получить высокий КПД и высокий коэффициент мощности, а применение трехфазной, круговой силовой и круговой информационной обмоток с укороченным шагом, выбор дробного числа пазов на полюс и фазу для трехфазной и двух круговых обмоток обуславливает подавление высших пространственных гармонических составляющих магнитного поля и зубцовых гармоник, что улучшает электромагнитную совместимость полупроводникового преобразователя с питающей сетью и нагрузкой.

Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим ряд принципиальных отличий от прототипа:

- активная часть внутреннего ярма магнитопровода выполнена из двух пакетов, каждый из которых содержит чередующиеся друг за другом зубцы разного профиля: один зубец выполнен на половину высоты паза, а следующий за ним - на полную высоту паза;

- две идентичных половины внутреннего шихтованного цилиндрического магнитопровода с целью уменьшения потоков рассеяния в воздушных зазорах сдвинуты друг относительно друга на один паз таким образом, чтобы пакет с полным зубцом своей боковой поверхностью соприкасался с боковой поверхностью другого пакета с усеченным зубцом, при этом между ними формируется регулируемый с помощью немагнитных прокладок требуемый воздушный зазор;

- активная часть наружных шихтованных кольцевых магнитопроводов, выполнена в виде двух цилиндрических пакетов, которые содержат только усеченные зубцы на половину высоты паза, причем идентичные половины двух наружных шихтованных магнитопроводов также сдвигаются друг относительно друга на один паз, а между их боковыми поверхностями с помощью немагнитных прокладок формируется регулируемый требуемый воздушный зазор;

- один пакет наружного шихтованного кольцевого магнитопровода надвигается на один из двух пакетов внутреннего ярма со сдвигом на один паз по часовой стрелке, а другой пакет наружного магнитопровода надвигается на второй пакет внутреннего ярма со сдвигом на один паз против часовой стрелки таким образом, чтобы усеченные зубцы двух внутренних и двух наружных магнитопроводов совпали и сформировали вместе с целыми зубцами двух внутренних магнитопроводов полузакрытые пазы на полную высоту катушечных групп, при этом между усеченными зубцами наружных и внутренних магнитопроводов образуются исчезающе малые нерегулируемые воздушные зазоры;

- для обеспечения линейности основной кривой намагничивания магнитопровода трансформатора при замыкании основного магнитного потока между парами боковых поверхностей пакетов внутренних и наружных шихтованных магнитопроводов может размещаться немагнитная прокладка, с помощью которой формируется требуемый воздушный зазор в центральной части магнитопровода с целью получения оптимального (или максимального) КПД и коэффициента мощности трансформатора;

- для улучшения электромагнитной совместимости полупроводниковых преобразователей с питающей сетью и нагрузкой применяется укороченный шаг по пазам у трехфазной, круговой силовой и круговой информационной обмоток с отводами, а для подавления высших пространственных гармонических составляющих магнитного поля выбирается дробное число пазов на полюс и фазу для трехфазной и круговых обмоток;

- трехфазная, круговая силовая и круговая информационная обмотки (КО) с отводами укладываются в полузакрытые пазы с применением общей технологии выполнения обмоток;

- дополнительная низковольтная информационная КО, выполненная подобно силовой КО, обеспечивает электромагнитную развязку устройства управления (УУ) преобразователем с питающим напряжением, упрощает и повышает точность и надежность синхронизации УУ с питающей сетью;

- исключаются два дополнительных боковых витых магнитопровода.

Предлагаемое решение имеет изобретательский уровень, так как совокупность существенных признаков устройства приводит к новому техническому результату - повышению КПД, коэффициента мощности и улучшению электромагнитной совместимости полупроводниковых преобразователей, снабженных предлагаемым трансформатором, с питающей сетью и нагрузкой за счет применения новой конструкции магнитопровода трансформатора, который формируется из четырех частей: двух внутренних шихтованных магнитопроводов, сдвинутых на один паз, и двух наружных шихтованных магнитопроводов, также сдвинутых на один паз, которые соприкасаются боковыми поверхностями в середине общего магнитопровода, образуя единую магнитную систему, в которой между боковыми поверхностями сдвинутых шихтованных магнитопроводов, с помощью немагнитных прокладок формируется требуемый воздушный зазор, обеспечивающий необходимую линейность основной кривой намагничивания магнитопровода трансформатора, что позволяет получить высокий КПД и коэффициент мощности трансформатора, а применение трехфазной, круговых силовой и информационной обмоток с укороченным шагом, выбор дробного числа пазов на полюс и фазу для трехфазной и круговых обмоток, обуславливает подавление высших пространственных гармонических составляющих магнитного поля и зубцовых гармоник, что улучшает электромагнитную совместимость полупроводникового преобразователя с питающей сетью и нагрузкой, дополнительная низковольтная информационная КО, выполненная подобно силовой КО, обеспечивает электромагнитную развязку устройства управления (УУ) преобразователем с питающим напряжением, упрощает и повышает точность и надежность синхронизации УУ с питающей сетью, исключение двух дополнительных витых боковых магнитопроводов по сравнению с прототипом снижает массогабаритные характеристики трансформатора, а применение единой технологии намотки трехфазной и круговых обмоток позволяет сохранить стоимость его изготовления на уровне прототипа.

Краткое описание чертежей. Изобретение поясняется чертежами. На фигуре 1 представлен трансформатор с вращающимся магнитным полем (ТВМП), содержащий внешний (поз.1) и внутренний (поз.2) магнитопроводы, разделенные исчезающе малыми нерегулируемыми стыковыми воздушными зазорами (поз.5), трехфазную (поз.3) и круговые (поз.4) силовую и информационную двухслойные обмотки, расположенные в пазах внутреннего магнитопровода (поз.3, 4).

На фигуре 2 приведен разрез паза, образуемого зубцами наружного (поз.1) и внутреннего (поз.2) магнитопроводов с электрически изолированными от магнитопроводов обмотками, трехфазной (поз.3), круговой силовой и информационной обмотками (поз.4), обмотки изолируются посредством межслойной (поз.5) и пазовой (поз.6) изоляцией. Изолированные катушечные группы фиксируются в своих пазах клином (поз.7).

На фигуре 3 представлены два состыкованных пакета внутреннего магнитопровода (поз.1) и (поз.2) со сдвигом пакетов друг относительно друга на один паз с размещенными в двух пазах трехфазной и круговыми обмотками (поз.3).

На фигуре 4 изображен ТВМП в сборе с трехфазной и круговыми силовой и информационной обмотками (поз.1), с состыкованными наружным и внутренним магнитопроводами (поз.2), с усеченными на половину высоты паза зубцами (поз.3), между которыми образуются исчезающе малые стыковые нерегулируемые воздушные зазоры, причем внутренний магнитопровод кроме усеченных зубцов содержит зубцы на полную высоту катушечной группы (поз.4), которые своими торцевыми поверхностями соприкасаются с внутренними поверхностями наружных магнитопроводов, создавая исчезающе малые нерегулируемые воздушные зазоры, а между боковыми поверхностями двух пар внутренних и наружных магнитопроводов, сдвинутыми между собой на один паз, образуется регулируемый за счет немагнитных прокладок воздушный зазор требуемой величины.

Осуществление устройства.

Трансформатор формируется из четырех частей: двух внутренних, идентичных шихтованных магнитопроводов с чередующимися зубцами разного уровня (на половину и полную высоту паза), которые сдвинуты друг относительно друга на один паз, и двух наружных шихтованных магнитопроводов, содержащих только укороченные зубцы (до половины высоты паза), причем наружные части магнитопровода также сдвинуты друг относительно друга на один паз.

При формировании общего шихтованного магнитопровода один пакет наружного кольцевого магнитопровода надвигается на один из двух пакетов внутреннего ярма со сдвигом на один паз по часовой стрелке, а другой пакет наружного магнитопровода надвигается на второй пакет внутреннего ярма со сдвигом на один паз против часовой стрелки, таким образом, чтобы усеченные зубцы двух внутренних и двух наружных магнитопроводов при объединении в общий магнитопровод совпали, образовали общие целые зубцы с одинаковым поперечным сечением и сформировали вместе с целыми зубцами, принадлежащими только внутренним магнитопроводам, полузакрытые пазы на полную высоту катушечных групп с исчезающе малыми воздушными зазорами между наружными и внутренними магнитопроводами.

Пары пакетов, образованные одним внутренним и одним наружным магнитопроводом при формировании общей магнитной системы будут стыковаться между собой боковыми поверхностями в середине общего магнитопровода, образуя воздушный зазор, величину которого можно регулировать с помощью немагнитных прокладок до величины, обеспечивающей необходимую линейность основной кривой намагничивания всего магнитопровода трансформатора, что позволяет получить высокий КПД и коэффициент мощности трансформатора, а применение трехфазной, круговой силовой и информационной обмоток с укороченным шагом, выбор дробного числа пазов на полюс и фазу для трехфазной и круговых обмоток, обуславливает подавление высших пространственных гармонических составляющих магнитного поля и зубцовых гармоник, что улучшает электромагнитную совместимость полупроводникового преобразователя с питающей сетью и нагрузкой.

При подаче на трехфазную обмотку трехфазной симметричной системы напряжений она создает в магнитопроводе трансформатора вращающееся магнитное поле, которое в соответствии с законом электромагнитной индукции $$e(t)=-\frac{\partial }{\partial t}\Psi (t)$$ возбуждает в секциях круговых обмоток ЭДС индукции, сдвинутые друг относительно друга на угол 2π/n, где n - число секций круговой обмотки трансформатора. В результате происходит преобразование симметричной трехфазной системы напряжений в симметричную n-фазную систему напряжений, которая преобразуется в выпрямленное напряжение с помощью полупроводникового коммутатора, подключающего максимально близкие к диаметру отводы круговой обмотки на сборные шины выпрямителя.

Применение дополнительной круговой информационной обмотки упрощает синхронизацию системы управления с напряжениями, поступающими с силовой круговой обмотки на вход полупроводникового коммутатора, исключает дополнительные фазовые сдвиги и повышает точность и надежность регулирования выходного напряжения полупроводникового преобразователя.

При выполнении внутреннего магнитопровода с полузакрытым пазом и обмоток с укороченным шагом и дробным числом пазов на полюс и фазу кривая магнитного поля значительно приближается к синусоидальной форме. Одновременно с этим зубцовые гармонические составляющие, имеющие наибольшую величину по сравнению с основной гармоникой, смещаются в высокочастотную часть спектра и уменьшаются по амплитуде в 2…3 раза.

Таким образом, устройство позволяет получить конструкцию трансформатора, обладающего улучшенной электромагнитной совместимостью с питающей сетью и нагрузкой. При этом сокращаются магнитные потоки рассеяния лобовых частей первичной и вторичной обмоток, что позволяет увеличить установленную мощность трансформатора, повысить КПД и коэффициент мощности.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в многофазных полупроводниковых преобразователях, а именно в выпрямителях, инверторах и преобразователях частоты. Технический результат состоит в повышении к.п.д., коэффициента мощности, точности и надежности регулирования выходного напряжения, подавлении высших пространственных гармонических составляющих магнитного поля и зубцовых гармоник, упрощении синхронизации системы управления, исключении дополнительных фазовых сдвигов. Трансформатор формируется из четырех частей: двух внутренних идентичных магнитопроводов с чередующимися зубцами разного уровня от половины до полной высоты паза, обе части которых сдвинуты друг относительно друга на один паз. Два наружных магнитопровода содержат только укороченные зубцы высотой до половины высоты паза, а их наружные части также сдвинуты друг относительно друга на один паз. При формировании общего магнитопровода пакеты наружных магнитопроводов надвигаются на пакеты внутреннего ярма со сдвигом на один паз по или против часовой стрелки таким образом, чтобы усеченные зубцы двух внутренних и двух наружных магнитопроводов совпали, образовали общие целые зубцы с исчезающе малыми нерегулируемыми воздушными зазорами и сформировали вместе с целыми зубцами, принадлежащими только внутренним магнитопроводам, полузакрытые пазы на полную высоту катушечных групп. 4 ил.

Трансформатор с трехфазной, круговой силовой и круговой информационной обмотками, содержащий составной наружный и составной внутренний шихтованный магнитопроводы с трехфазной, силовой круговой и информационной круговой обмотками с отводами, расположенными в пазах внутреннего шихтованного магнитопровода, отличающийся тем, что магнитопровод трансформатора формируется из четырех частей, образующих единую магнитную систему: двух внутренних идентичных магнитопроводов с чередующимися зубцами разного уровня от половины до полной высоты паза, сдвинутых друг относительно друга на один паз, и двух наружных магнитопроводов, содержащих только укороченные зубцы с высотой до половины высоты паза, сдвинутых друг относительно друга на один паз, чтобы усеченные зубцы двух внутренних и двух наружных магнитопроводов при объединении в общий магнитопровод совпали и образовали общие целые зубцы с одинаковым поперечным сечением с исчезающе малыми воздушными зазорами и сформировали вместе с целыми зубцами, принадлежащими только внутренним магнитопроводам, полузакрытые пазы на полную высоту катушечных групп, а при стыковке двух пакетов, составленных из внутренних и наружных шихтованных магнитопроводов, сдвинутых между собой на ширину одного паза, между их боковыми поверхностями образуется воздушный зазор, регулируемый с помощью немагнитных прокладок, обеспечивающий требуемую линейность основной кривой намагничивания магнитопровода трансформатора.