ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ, ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ И ВЫСОКОМОЩНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 2017 года по МПК H05G1/08 H01F19/00 H01F27/32 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение, как определено в названии, представляет собой высоковольтный, высокочастотный и высокомощный трансформатор.

Настоящее изобретение характеризуется специальными конструктивными характеристиками изолятора, в частности, на котором смонтированы сердечник, первичная обмотка и вторичная обмотка, для достижения достаточной изоляции между обеими обмотками, максимального магнитного взаимодействия и возможности охлаждения первичной и вторичной обмоток, используя масло, получая трансформатор, который может быть приспособлен к размерам рентгеновской трубки в очень малом пространстве.

Следовательно, настоящее изобретение относится к области техники трансформаторов, в частности высокомощных, высокочастотных и высоковольтных трансформаторов.

Уровень техники

На современном уровне техники проектирование и создание высоковольтного, или высокочастотного, или высокомощного трансформатора не являются проблемой. Однако проектирование и создание трансформатора, который включает эти три характеристики одновременно, представляют собой чрезвычайно трудную задачу, вследствие конфликтующих требований каждой из вышеупомянутых характеристик.

Высоковольтный трансформатор требует высокой степени изоляции между его первичной и вторичной обмотками (большого расстояния, отделяющего высоко- и низковольтную обмотки, или большой толщины изоляторов). Это отделение между обмотками уменьшает магнитное взаимодействие между указанными двумя элементами, и, следовательно, реактивное сопротивление утечки увеличивается, ограничивая выходную мощность.

Высокочастотный трансформатор требует очень хорошего взаимодействия между первичной и вторичной обмотками для достижения приемлемой эффективности и для того, чтобы выходная мощность не ограничивалась недостаточно эффективным взаимодействием (чрезмерным реактивным сопротивлением между первичной и вторичной обмоткой). Для удовлетворения этого требования расстояние между первичной и вторичной обмотками должно быть как можно меньшим (что является прямо противоположным тому, что требуется для высоковольтного трансформатора). Также, чем выше рабочая частота, тем лучше должно быть взаимодействие, так как реактивное сопротивление между обмотками является прямо пропорциональным частоте.

Высокомощный трансформатор требует, чтобы импеданс обмоток был очень малым и реактивное сопротивление между указанными двумя элементами было достаточно низким, для того чтобы не ограничивать выходную мощность. Это реактивное сопротивление уменьшается до минимума, когда взаимодействие между первичной и вторичной обмотками увеличивается, т.е. когда две обмотки располагаются рядом друг с другом (что является прямо противоположным тому, что требуется для высоковольтного трансформатора). Кроме того, чем выше выходная мощность или рабочая частота, тем лучше должно быть взаимодействие, так как реактивное сопротивление между обмотками является прямо пропорциональным частоте.

Следовательно, задачей настоящего изобретения является разработка трансформатора, который одновременно является высоковольтным, высокочастотным и высокомощным, причем требования к изоляции и магнитному взаимодействию являются такими, что поставленные задачи могут достигаться посредством разработки трансформатора, такого как описанный ниже, сущность которого изложена в п. 1 формулы изобретения.

Сущность изобретения

Предметом настоящего изобретения является высоковольтный, высокочастотный и высокомощный трансформатор в очень малом пространстве, который может быть приспособлен к размерам рентгеновской трубки таким образом, что она может собираться в едином модуле так, что электрические потенциалы совпадают между собой (эквипотенциальная установка), таким образом уменьшая вес и объем узла с целью его выполнения более дешевым и эффективным.

Трансформатор погружен в масло (минеральное или растительное), которое имеет две основные задачи: служить в качестве электрического изолятора и в качестве охлаждающего агента для электрических и магнитных элементов трансформатора.

Трансформатор имеет сердечник, на котором монтируется первичная обмотка, после чего этот узел размещается внутри полого трубчатого элемента, который образует часть изолятора.

Изолятор выполнен из двух частей, которые являются симметричными относительно поперечной вертикальной плоскости, при этом каждая часть или половина имеет полый трубчатый элемент, размещенный внутри внешнего корпуса каждой половины изолятора, причем один конец полого трубчатого элемента соединен с внешним корпусом таким образом, что внутреннее пространство полого трубчатого элемента соединено с внешней частью, и в каждой половине изолятора образовано кольцевое пространство, содержащееся между внешней стенкой трубчатого элемента и внутренней стенкой внешнего корпуса, где размещается вторичная или высоковольтная обмотка.

Полый трубчатый элемент каждой половины изолятора имеет отличительный признак выступания относительно свободного края внешнего корпуса, таким образом две половины изолятора соединяются друг с другом, свободные концы полых трубчатых элементов остаются в контакте, тогда как между двумя внешними корпусами образуется щель, которая будет располагаться на нулевом уровне напряжения, где высокая степень изоляции не является необходимой, и, однако, позволяет потоку масла входить в контакт с цепью вторичной обмотки.

Благодаря описанной конфигурации достигается следующее.

- Первичная обмотка и вторичная обмотка продольно занимают одно и то же пространство, что увеличивает до максимума магнитное взаимодействие между обмотками и, следовательно, также уменьшает до минимума реактивное сопротивление между ними, что обеспечивает возможность увеличения до максимума выходной мощности.

- Это обеспечивает возможность размещения выпрямителя, фильтра и резистивного делителя вторичной обмотки очень близко друг к другу благодаря тому факту, что они являются эквипотенциальными цепями и что они имеют одинаковый потенциал вдоль них.

- Расстояние между первичной и вторичной обмотками уменьшается до минимума посредством полого трубчатого элемента, который отделяет обе обмотки, обеспечивая хорошее магнитное взаимодействие без потери изоляции.

- Геометрия внешнего корпуса каждой половины изолятора делает возможным образование щели, расположенной на нулевом уровне напряжения, где высокая степень изоляции не является необходимой, и, однако, позволяет маслу входить в контакт со вторичной обмоткой.

Краткой описание чертежей

Для дополнения выполняемого описания и с намерением способствования лучшему пониманию характеристик изобретения, в соответствии с его предпочтительным вариантом осуществления, комплект чертежей прилагается в качестве неотъемлемой части указанного описания, где иллюстративным и неограничивающим образом было представлено следующее.

На Фигуре 1А показан вид спереди предмета изобретения - трансформатора.

На Фигуре 1В показан разрез, полученный, когда трансформатор Фигуры 1А разрезается по линии А-А.

На Фигуре 1С показан разрез, полученный, когда трансформатор разрезается по линии С-С.

На Фигуре 1D показан разрез, полученный, когда трансформатор разрезается по линии В-В.

На Фигуре 2 показан перспективный вид трансформатора.

На Фигуре 3 показано аксонометрическое изображение одной из половин изолятора.

На Фигуре 4.1 показан вид сбоку одной из половин изолятора.

На Фигуре 4.2 показан разрез, полученный, когда изолятор разрезается по линии D-D.

Осуществление изобретения

На основе чертежей ниже приведено описание предпочтительного варианта осуществления предложенного изобретения.

На Фигурах 1А, 1В, 1С и 1D можно увидеть магнитный сердечник (1), на котором размещена первичная обмотка (2), имеющая основную низковольтную изоляцию между ними, так как они оба работают с очень близким к нулю напряжением, которое представляет собой защитный нулевой уровень (землю).

Узел первичной обмотки (2) и магнитного сердечника (1) размещен во внутренней части полого трубчатого элемента (8), образованного в изоляторе (3) трансформатора, и на указанном полом трубчатом элементе (8) размещена вторичная обмотка (4). Как можно увидеть, как магнитный сердечник (1), так и первичная обмотка (2) находятся в непосредственном контакте с маслом, обеспечивая возможность протекания масла как через магнитный сердечник (1), так и первичную обмотку (2) таким образом, что масло отводит тепло, создаваемое рабочими потерями трансформатора.

На Фигуре 1В показано, как вторичная обмотка (4) разделена на разные секции (4.1-4.8) обмотки, которые намотаны на независимые каркасы катушек. Напряжение этих секций обмотки выпрямляется, фильтруется и последовательно соединяется для суммирования всех напряжений каждой секции обмотки посредством выпрямителя (9) и фильтра (10). Резистивный делитель (11) отбирает образец выходного напряжения и подает его обратно на схему управления, тем самым обеспечивая абсолютное и точное управление выходным напряжением.

На этой же Фигуре можно увидеть, что нулевое напряжение (нулевой уровень или земля) установлено точно в центре вторичной обмотки (между секциями 4.4 и 4.5 обмотки), где изолятор (3) имеет проем (5) для обеспечения возможности протекания масла во внутреннюю часть изолятора (3), тем самым изолируя и охлаждая цепь вторичной обмотки, которая размещена на стороне высокого напряжения. Этот проем негативно не влияет на изоляцию трансформатора, так как он размещен в зоне очень низкого напряжения, где масляная изоляция является достаточной.

Также можно увидеть, что напряжение трансформатора уменьшается постепенно, таким образом для трансформатора 150 кВ с отрицательной полярностью слева оно достигает минимального значения -75 кВ на левом конце. Таким же постепенным образом оно линейно увеличивается с положительной полярностью к правой стороне трансформатора, достигая максимального значения +75 кВ на правом конце. Следовательно, оно составляет -75 кВ слева, линейно увеличиваясь вплоть до +75 кВ справа, давая полную разность потенциалов 150 кВ между обоими концами, с нулевым потенциалом (нулем или землей) в центре трансформатора.

Как выпрямитель (9), так и фильтр (10) и резистивный делитель (11) имеют одинаковые значения потенциалов. Это означает, что между ними нет разности потенциалов, и это позволяет им размещаться рядом друг с другом, так как они являются эквипотенциальными цепями.

Можно увидеть, как первичная обмотка (2) и вторичная обмотка (4), образованная секциями (4.1)-(4.8) обмотки, продольно занимают одно и то же пространство для увеличения до максимума магнитного взаимодействия между ними и, таким образом, уменьшения до минимума реактивного сопротивления между ними, что обеспечит возможность увеличения до максимума выходной мощности.

На Фигурах 2, 3, 4.1 и 4.2 можно увидеть конструктивные характеристики изолятора (3), который, как можно увидеть, содержит две половины или части (6) и (7), которые являются симметричными относительно вертикальной плоскости изолятора (3). Каждая из частей или половин (6) и (7) содержит полый трубчатый элемент (3.1), в котором размещается узел, образованный сердечником (1) и первичной обмоткой (2). Охватывая каждый полый трубчатый элемент (3.1) от каждой половины (6) и (7), имеется внешний корпус (3.2), причем один конец полого трубчатого элемента (3.1) соединен с внешним корпусом (3.2). Между полым трубчатым элементом (3.1) и внешним корпусом (3.2) образовано кольцевое пространство (3.3), в котором размещается вторичная обмотка (4).

Другая характеристика изолятора (3), в частности трубчатого элемента (3.1) каждой половины (6) и (7), заключается в том, что он имеет такую длину, что на его свободном крае (3.4) он длиннее, чем свободный край (3.5) внешнего корпуса (3.2) (Фигура 4.2). Когда обе половины (6) и (7) соединены друг с другом, свободные края (3.4) полых трубчатых элементов (3.1) входят в контакт, и, в таком случае, между свободными краями (3.5) внешнего корпуса (3.2) имеется зазор или щель (5) (Фигура 2), через которую охлаждающее масло проникает к вторичной обмотке (4), размещенной в кольцевом пространстве (3.3).

Изоляция между первичной обмоткой (2) и вторичной обмоткой (4) достигается посредством трубчатого элемента (8), образованного полыми трубчатыми элементами (3.1) каждой половины (6) и (7) изолятора (3). Толщина полых трубчатых элементов (3.1) является такой, что она обеспечивает, с одной стороны, изоляцию между двумя обмотками (первичной и вторичной) и, с другой стороны, хорошее магнитное взаимодействие.

Внешний корпус (3.2) каждой из половин изолятора (3) обеспечивает изоляцию вторичной обмотки (4) и то, что масло протекает через цепь вторичной обмотки (4), следовательно, охлаждая ее.

С описанными характеристиками было возможным получить, в частности, высоковольтный (150 кВ), высокочастотный (от 50 до 150 кГц) и высокомощный (80 кВт) трансформатор, в очень малом пространстве, таким образом, что он может быть приспособлен к размерам рентгеновской трубки для ее сборки в едином модуле так, что уровни электрического потенциала совпадают между собой (эквипотенциальный узел), тем самым уменьшая вес и объем узла с целью его выполнения более дешевым и эффективным.

Достаточно описав сущность настоящего изобретения, наряду со способом его воплощения, следует отметить, что, в пределах его сущности, оно может воплощаться в других вариантах осуществления, которые отличаются в деталях относительно описанного в качестве примера и на которые подобным образом будет распространяться заявляемая охрана, при условии, что его основной принцип не переделывается, изменяется или модифицируется.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в уменьшении габаритов. Высокочастотный и высокомощный трансформатор имеет сердечник (1), на котором размещается первичная обмотка (2), на которой изолированно размещена вторичная обмотка (4). Весь узел размещается и монтируется в изоляторе (3), который выполнен из двух частей или половин (6) и (7), симметричных относительно поперечной вертикальной плоскости. Каждая часть имеет полый трубчатый элемент (3.1), размещенный внутри внешнего корпуса (3.2) каждой половины изолятора, образуя в каждой части кольцевое пространство (3.3), содержащееся между внешней стенкой трубчатого элемента (3.1) и внутренней стенкой внешнего корпуса (3.2), где размещается вторичная или высоковольтная обмотка. Изолятор (3) имеет в его внешнем корпусе (3.2) щель (5), выполненную на нулевом уровне напряжения и через которую масло проникает к вторичной обмотке. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Высоковольтный, высокочастотный и высокомощный трансформатор, имеющий сердечник (1), на котором размещается первичная обмотка (2), на которой изолированным образом размещается вторичная обмотка (4), причем весь узел размещен и смонтирован в изоляторе (3), причем изолятор (3) выполнен из двух частей или половин (6) и (7), которые являются симметричными относительно поперечной вертикальной плоскости, при этом каждая часть имеет один полый трубчатый элемент (3.1), размещенный во внутренней части внешнего корпуса (3.2) каждой половины изолятора, и причем один конец полого трубчатого элемента (3.1) соединен с внешним корпусом (3.2) таким образом, что внутреннее пространство полого трубчатого элемента (3.1) соединено с внешней частью, и в каждой части или половине (6) и (7) образовано кольцевое пространство (3.3), содержащееся между внешней стенкой трубчатого элемента (3.1) и внутренней стенкой внешнего корпуса (3.2), где размещена вторичная или высоковольтная обмотка, отличающийся тем, что полый трубчатый элемент (3.1) каждой половины изолятора (3) имеет отличительный признак, заключающийся в том, что его свободный конец (3.4) внешнего корпуса (3.2) является длиннее, чем свободный край (3.5) внешнего корпуса (3.2) таким образом, что, при соединении двух половин (6) и (7) изолятора (3), свободные концы (3.4) полых трубчатых элементов (3.1) входят в контакт, тогда как между двумя внешними корпусами (3.2) имеется зазор или щель (5), которая расположена на нулевом уровне напряжения и через которую охлаждающее масло проникает к вторичной обмотке (4).

2. Высоковольтный, высокочастотный и высокомощный трансформатор по п. 1, отличающийся тем, что вторичная обмотка (4) разделена на разные секции (4.1-4.8) обмотки, которые намотаны на независимые каркасы катушек, напряжение которых выпрямляется, фильтруется и последовательно соединяется для суммирования всех напряжений каждой секции обмотки посредством выпрямителя (9) и фильтра (10), смонтированных рядом с вторичной обмоткой.

3. Высоковольтный, высокочастотный и высокомощный трансформатор по п. 2, отличающийся тем, что он дополнительно имеет резистивный делитель (11), смонтированный рядом с выпрямителем (9) и фильтром (10).

4. Высоковольтный, высокочастотный и высокомощный трансформатор по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что первичная обмотка (2) и вторичная обмотка (4) продольно занимают одно и то же пространство.