ТРАНСФОРМАТОР С ТРЕХФАЗНОЙ И КРУГОВОЙ ОБМОТКАМИ Российский патент 2015 года по МПК H01F38/18 

Область использования

Изобретение относится к трансформаторостроению и может быть использовано в многофазных полупроводниковых преобразователях, в частности в выпрямителях, инверторах, обратимых преобразователях, преобразователях постоянного напряжения и т.д.

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, Н02М 5/14, 2007 г.) К недостаткам данного аналога относятся следующие факторы:

- значительный зазор между магнитопроводами трансформатора, что в сочетании с геометрией паза и магнитной цепи приводит к нелинейному росту магнитодвижущей силы (МДС) обмотки на проведение необходимого магнитного потока;

- наличие прямого открытого паза, вследствие чего в кривой магнитного поля появляются зубцовые гармонические составляющие с относительными частотами $${\nu }_Z=kZ/p\pm 1$$ ,

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

Z - число пазов на магнитопроводе;

р - число пар полюсов обмотки;

- отсутствие возможности осуществления скоса магнитного поля и магнитной оси обмотки, принимающей энергию из сети, относительно обмотки, отдающей энергию в нагрузку, в целях подавления проявления последствий наличия зубчатости магнитопроводов в кривых питающего и выходного напряжений в виде высших гармоник, не поддающихся ликвидации такими способами, как укорочение либо распределение обмотки по пазам;

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

- зубцовые гармонические составляющие имеют большой размах (до 1,5 Тл), препятствуя росту основной гармоники магнитной индукции, что способствует значительному росту намагничивающего тока и снижению коэффициента мощности трансформатора.

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, Н02М 5/14, 1998 г.). Данное изобретение принято за прототип.

К недостаткам прототипа можно отнести следующее:

- применение в качестве выходной многофазной многолучевой обмотки, что усложняет технологию изготовления трансформатора с вращающимся магнитным полем, а также не способствует устранению высших гармоник определенной дискретной частоты (в зависимости от числа фаз обмотки), обусловленных насыщением стали и геометрией магнитной цепи, в кривых линейных напряжений;

- отсутствие возможности регулировать на этапе проектирования коэффициент распределения первичной обмотки независимо от вторичной, что оказывается необходимым в случаях проектирования трансформатора средней и большой мощности с малым воздушным зазором для обеспечения высокого коэффициента мощности работы трансформатора и преобразователя в целом;

- отсутствие возможности в отдельности задавать число пазов для обмотки, располагающейся на внешнем магнитопроводе, и для обмотки, располагающейся на внутреннем магнитопроводе, что оказывается необходимым при проектировании трансформаторов большой мощности при решении вопроса оптимального использования электротехнической стали с целью исключения сильных неоднородностей магнитного поля в ярме внешнего магнитопровода, замыкающего магнитную цепь, а также с целью минимизации показателя удельного расхода материалов на единицу передаваемой мощности;

- отсутствие возможности осуществления скоса магнитной оси первичной обмотки относительно вторичной в целях подавления проявления последствий наличия зубчатости магнитопроводов в кривых питающего и выходного напряжений в виде высших гармоник, не поддающихся ликвидации прочими способами;

- применение открытых пазов в наружной и внутренней частях среднего шихтованного магнитопровода, что негативно сказывается на электромагнитной совместимости трансформатора с питающей сетью и нагрузкой;

- наличие значительных магнитных потоков рассеяния в связи с намоткой обмоток по цилиндрической поверхности среднего витого магнитопровода, не имеющей пазов на боковой поверхности;

- применение трехфазной и круговой обмоток с диаметральным шагом, что не способствует значительной экономии меди из-за приближения к единице коэффициента укорочения по основной гармонике, однако в то же время негативно сказывается на качестве питающего и выходного напряжения;

- применение дополнительных боковых витых магнитопроводов для замыкания магнитного поля лобовых частей, что существенно увеличивает массу, габариты и стоимость трансформатора, тогда как при симметричном в геометрическом отношении выполнении обмоток данное мероприятие не требуется вообще;

- относительно низкие значения коэффициента полезного действия (кпд) и коэффициента мощности трансформатора, а также невозможность их увеличения в рамках существующей конструкции трансформатора;

- применение обмоток, имеющих целое число пазов на полюс и фазу, что не способствует подавлению высших гармоник магнитного поля в кривых индуцированных в обмотках эдс, а также приближает обмотку по своим электромагнитным параметрам к сосредоточенной, эффективность которой достаточно ограничена в ферромагнитных конструкциях, имеющих радиальную симметрию;

- неэффективные условия охлаждения обмоток вследствие отсутствия канала для прохождения воздуха между первичной и вторичной обмотками.

Задача изобретения

Изобретение позволяет устранить основные недостатки прототипа. Новый трансформатор с вращающимся магнитным полем (ТВМП) превосходит прототип по линейности основной кривой намагничивания, кпд и коэффициенту мощности, а также по параметрам электромагнитной совместимости с питающей сетью и нагрузкой. 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 и дробным числом пазов на полюс и фазу, при этом число пазов на внутреннем Z₂ и внешнем магнитопроводах Z₁ выбирается различным и не должно составлять также кратные друг другу числа.

Данное мероприятие позволяет подавлять высшие пространственные гармонические составляющие магнитного поля 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%, коэффициента мощности до 0,90, а также позволяет сократить удельный расход материалов за счет более тонкой подстройки обмоточных коэффициентов, которые при данной конструкции трансформатора в общем случае не зависят друг от друга.

В заявляемом ТВМП также применяется оригинальное конструктивное решение, заключающееся в скосе магнитной оси трехфазной обмотки относительно магнитной оси круговой обмотки, что позволяет достигать высокой электромагнитной совместимости с питающей сетью и нагрузкой за счет компенсации зубцовых гармонических составляющих. Различное число пазов на внешнем и внутреннем магнитопроводах позволяет более тонко подбирать величину скоса, которая должна быть равна либо кратна зубцовому делению внешнего либо внутреннего магнитопровода так, чтобы обеспечить максимальное подавление высших гармоник в кривых первичных и/или вторичных эдс.

Раскрытие изобретения

Сущность изобретения состоит в том, что магнитопровод ТВМП состоит из двух составных концентрических частей: круглого внутреннего магнитопровода, в проточенные полузакрытые пазы которого уложена круговая обмотка, и кольцевого внешнего магнитопровода, в полузакрытые пазы которого уложена трехфазная обмотка. Оба магнитопровода шихтуются из пластин электротехнической стали толщиной 0,5 либо 0,35 мм, имеющих электротехническое покрытие ЭТ, улучшающее штампуемость либо лазерную или гидроабразивную резку.

При этом пластины внутреннего магнитопровода шихтуются так, чтобы обеспечить скос пазов на одно зубцовое деление внутреннего либо внешнего магнитопровода, то есть обеспечивается их равномерный сдвиг в одну и ту же сторону относительно центральной оси симметрии трансформатора на протяжении всего аксиального размерения. Поворот одной пластины внутреннего магнитопровода относительно соседней в угловых градусах определяется по формулам

где Δ - [м] - толщина пластины электротехнической стали, l_δ - [м] - длина магнитопровода трансформатора.

Число пазов на внешнем Z₁ и внутреннем Z₂ магнитопроводах выбирается различным. При этом важно выполнить условие, чтобы число Z₁ не было равно числу Z₂, а также эти числа были нечетными и имели наименьшее общее кратное, не равное одному из этих чисел, что позволит максимально приблизить кривую магнитного поля к идеальной синусоиде и избежать локальных концентраций магнитного поля во внешнем ярме, что привело бы к увеличению потерь на гистерезис и росту амплитуд гармоник магнитной индукции, проявляющихся при насыщении ферромагнитного материала (ν=3,9,15, …).

Воздушный зазор между магнитопроводами имеет постоянную величину, определяемую исходя из требований к основной кривой намагничивания трансформатора. Концентрическое расположение внешнего и внутреннего магнитопроводов друг относительно друга обеспечивает равномерную величину воздушного зазора.

В полузакрытые пазы, проточенные как на внешнем, так и на внутреннем магнитопроводах укладываются укороченные трехфазная и круговая обмотки, причем число пазов на полюс и фазу для трехфазной и круговых обмоток выбирается дробным со знаменателем дробности, равным двум.

Магнитная ось трехфазной обмотки совпадает с аксиальной осью центральной симметрии внутреннего магнитопровода, а магнитная ось круговой обмотки располагается под углом к аксиальной оси симметрии так, чтобы получить скос круговой обмотки относительно трехфазной на одно зубцовое деление внешнего либо внутреннего магнитопровода.

В результате концентрического расположения одного магнитопровода относительно другого образуется единая магнитная система, в которой между шихтованными магнитопроводами формируется требуемый воздушный зазор, обеспечивающий необходимую линейность основной кривой намагничивания магнитопровода всего ТВМП, что позволяет получить высокий кпд и коэффициент мощности, а применение трехфазной и круговой обмоток с укороченным шагом, выбор дробного числа пазов на полюс и фазу для трехфазной и круговой обмоток обуславливает подавление высших пространственных гармонических составляющих магнитного поля, вследствие наличия наклона магнитной оси круговой обмотки относительно трехфазной происходит подавление зубцовых гармоник, которые не поддаются компенсации при использовании только коэффициента укорочения либо коэффициента распределения; вышеназванные мероприятия улучшают электромагнитную совместимость полупроводникового преобразователя с питающей сетью и нагрузкой.

В заявляемой конструкции разъемного магнитопровода возможна подстройка значений обмоточных коэффициентов трехфазной и круговой обмоток независимо друг от друга в целях дополнительного улучшения качества кривых эдс в обмотках без применения дополнительных мероприятий по фильтрации напряжения, что необходимо при проектировании трансформаторов средней и большой мощности, имеющих различное число секций круговой обмотки, напряжения с которых снимаются полупроводниковым коммутатором в процессе работы преобразователя, ядром которого является сам трансформатор с вращающимся магнитным полем.

Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим 8 (восемь) принципиальных отличий от прототипа:

- для обеспечения линейности основной кривой намагничивания магнитопровода трансформатора при замыкании основного вращающегося магнитного потока в конструкцию введен равномерный по всей длине окружности воздушный зазор, способствующий подавлению высших гармоник магнитного поля;

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

- улучшаются условия охлаждения трехфазной и круговой обмоток за счет их расположения на различных магнитопроводах с внутренней и внешней сторон относительно равномерного воздушного зазора;

- трехфазная и круговая обмотки с отводами укладываются в полузакрытые пазы внешнего и внутреннего магнитопровода соответственно с применением общей технологии выполнения обмоток;

- уменьшается удельный расход меди за счет сокращения длины лобовых частей обмоток по сравнению с обмотками, имеющими диаметральный шаг;

- исключаются за ненадобностью два дополнительных боковых витых магнитопровода, за счет чего улучшаются массогабаритные характеристики и понижается показатель удельного расхода материалов, также упрощается технология изготовления трансформатора;

- для практически полного подавления зубцовых гармоник магнитного поля используется скос магнитной оси круговой обмотки относительно магнитной оси трехфазной обмотки на одно зубцовое деление внешнего либо внутреннего магнитопровода;

- появляется возможность в отдельности задавать число пазов для обмотки, располагающейся на внешнем магнитопроводе, и для обмотки, располагающейся на внутреннем магнитопроводе, что необходимо при проектировании трансформаторов средней и большой мощности при решении вопроса оптимального использования электротехнической стали с целью исключения сильных неоднородностей магнитного поля в ярме внешнего магнитопровода, замыкающего магнитную цепь, а также с целью минимизации показателя удельного расхода материалов на единицу мощности.

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 разъемного магнитопровода трансформатора, который состоит из двух частей: внутренней и внешней, имеющих различное не равное и не кратное друг другу нечетное число пазов, образуя единую магнитную систему, в которой создается требуемый воздушный зазор, обеспечивающий необходимую линейность основной кривой намагничивания магнитопровода трансформатора, что позволяет получить высокий кпд и коэффициент мощности трансформатора, а применение скошенных друг относительно друга трехфазной и круговой обмоток с укороченным шагом, выбор дробного числа пазов на полюс и фазу для трехфазной и круговой обмоток обуславливают подавление высших пространственных гармонических составляющих магнитного поля и зубцовых гармоник, что улучшает электромагнитную совместимость полупроводникового преобразователя с питающей сетью и нагрузкой, а применение скоса обмоток обеспечивает коэффициент гармоник менее 1…2% без дополнительных мероприятий по фильтрации высших гармоник зубцового порядка в питающей сети и в нагрузке.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 и фиг. 2 показан трансформатор с вращающимся магнитным полем с разъемным магнитопроводом, который содержит разделенные равномерным по всему двойному полюсному делению воздушным зазором внешний (поз. 1) и внутренний (поз. 2) магнитопроводы, трехфазную (поз. 3) и круговую (поз. 4) барабанные равнокатушечные двухслойные обмотки. При этом электропроводы трехфазной обмотки (поз. 3) располагаются в пазах внешнего магнитопровода (поз. 1), а электропроводы круговой (поз. 4) - в пазах внутреннего магнитопровода (поз. 2). Проводники обмоток электрически изолированы от магнитопроводов (поз. 1, поз. 2) посредством межслойной (поз. 5) и пазовой (поз. 6) изоляции. Изолированные катушечные группы фиксируются в своих пазах клиньями (поз. 7). Фиг. 2 показывает устройство паза заявляемого трансформатора крупных планом.

На фиг. 3 приведено изображение внутреннего магнитопровода ТВМП (поз. 2), где показано выполнение скоса пазов в сборе в аксонометрии.

На фиг. 4 приведено изображение внутреннего (поз. 2) и внешнего (поз. 1) магнитопроводов, содержащих различное число пазов и расположенных концентрически друг относительно друга, в сборе в аксонометрии.

На фиг. 5 приведено изображение внутреннего (поз. 2) и внешнего (поз. 1) магнитопроводов в сборе в аксонометрии, рассеченных плоскостями, проходящими через центральную ось симметрии. Из фиг. 7 следует, что скос зубцов внутреннего магнитопровода выполнен относительно центральной оси симметрии на одно зубцовое деление внутреннего магнитопровода, так как секущей плоскостью оказываются затронуты два зубца.

На фиг. 6 показана несинусоидальная кривая магнитного поля с незначительным содержанием высших гармоник, получаемая при использовании заявленной конструкции трансформатора с вращающимся магнитным полем.

На фиг. 7 приведен спектр кривой ЭДС трехфазной либо круговой обмотки, не содержащий высших гармонических составляющих и получаемый при использовании данной конструкции трансформатора, позволяющей обеспечивать коэффициенты укорочения и распределения, а также коэффициент скоса, отличный от единицы.

Осуществление изобретения

Трансформатор формируется из двух частей: внутреннего шихтованного магнитопровода и внешнего шихтованного магнитопровода, имеющих полузакрытые пазы на полную высоту катушечной группы. Обмотки выполняются барабанными равнокатушечными всыпными двухслойными. При этом магнитная ось трехфазной обмотки, расположенной на внешнем магнитопроводе, совпадает с центральной осью симметрии трансформатора, а магнитная ось круговой обмотки, располагающейся на внутреннем магнитопроводе, наклонена по отношению к магнитной оси трехфазной обмотки на определенный угол так, чтобы обеспечить скос на одно зубцовое деление внутреннего либо внешнего магнитопровода в зависимости от требований к качеству выходного напряжения трансформатора.

При формировании общего шихтованного магнитопровода внутренний магнитопровод концентрически вставляется внутрь внешнего с сохранением равномерного воздушного зазора на протяжении двойного полюсного деления.

Трансформатор с вращающимся магнитным полем функционирует следующим образом. При подаче на трехфазную обмотку трехфазной симметричной системы напряжений она создает в магнитопроводе трансформатора вращающееся магнитное поле, которое в соответствии с законом электромагнитной индукции $$e(t)=k_{ОБ}w\frac{d}{dt}Ф(t)$$ возбуждает в секциях круговой обмотки 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 затем, например, в выпрямленное напряжение с помощью полупроводникового коммутатора, подключающего максимально близкие к диаметру отводы круговой обмотки на сборные шины в том случае, если реализовано применение трансформатора в выпрямительном агрегате.

В рамках данной конструкции осуществляется гальваническая развязка между трехфазной и круговой обмоткой, передача энергии происходит посредством вращающихся магнитных потоков.

При выполнении внутреннего и внешнего магнитопроводов с различным не кратным друг другу числом пазов на внешнем и внутреннем магнитопроводах, а также 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 ликвидируются ее синхронные провалы, имеющие место в случае равенства числа зубцов на внешнем и внутреннем магнитопроводах. Одновременно с этим зубцовые гармонические составляющие, имеющие наибольшую величину по сравнению с основной гармоникой, смещаются в высокочастотную часть спектра и уменьшаются по амплитуде, не вызывая более ограничение роста основной гармоники магнитного поля, которая индуцирует основную гармонику эдс.

Таким образом, устройство позволяет получить конструкцию трансформатора, обладающего высокой электромагнитной совместимостью с питающей сетью и нагрузкой. При этом сокращаются магнитные потоки рассеяния лобовых частей трехфазной и круговой обмоток, что позволяет увеличить установленную мощность трансформатора, повысить кпд и коэффициент мощности, сократить расход активных материалов: электротехнической меди и стали, улучшить условия охлаждения обмоток при реализованной разнесенной их конструкции на внешнем и внутреннем магнитопроводах.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в многофазных полупроводниковых преобразователях, в частности в инверторах, выпрямителях, обратимых преобразователях, преобразователях постоянного напряжения. Трансформатор с трехфазной и круговой обмотками формируется из двух частей: внешнего и внутреннего магнитопроводов, содержащих различное не кратное друг другу нечетное число полузакрытых пазов. Пазы выполняются на полную высоту катушечных групп. Трехфазная и круговая обмотки расположены в проточенных пазах внешнего и внутреннего магнитопроводов соответственно и выполняются барабанными равнокатушечными двухслойными, а также имеют дробное число пазов на полюс и фазу и укороченный шаг. Магнитная ось круговой обмотки наклонена по отношению к магнитной оси трехфазной обмотки на одно зубцовое деление внутреннего либо внешнего магнитопровода. Технический результат состоит в повышении кпд и коэффициента мощности, подавлении высших пространственных гармонических составляющих магнитного поля, снижении расхода материалов за счет улучшения охлаждения. 7 ил.

Трансформатор с трехфазной и круговой обмотками, составленный из шихтованных электрически изолированных друг от друга листов электротехнической стали внешнего и внутреннего магнитопроводов с трехфазной и круговой обмотками с отводами, расположенными в полузакрытых пазах внешнего и внутреннего шихтованного магнитопровода соответственно, отличающийся тем, что внешний и внутренний магнитопроводы имеют различное не равное и не кратное друг другу нечетное число полузакрытых пазов на полную высоту катушечных групп, причем трехфазная и круговая обмотки выполняются с укороченным шагом и дробным числом пазов на полюс и фазу, что обуславливает подавление высших пространственных гармонических составляющих магнитного поля, а пазы, в которые уложена круговая обмотка, имеют скос относительно пазов, в которые уложена трехфазная обмотка, на одно зубцовое деление внутреннего либо внешнего магнитопровода, что обеспечивает компенсацию зубцовых гармоник магнитного поля и позволяет получить высокий КПД и коэффициент мощности трансформатора.