Однофазный трехстержневой трансформатор Советский патент 1947 года по МПК H01F29/14 

Обычно применяемые аппараты переменного тока для плавного регулирования напряжения (потенциал-регуляторы, транеформаторы п автотрансформаторы с передвижными обмотками или ео скользящим контактом) требуют для регулирования перемещения тех или иных частей при помоии более или менее сложного механического приспособления. Мощность, необходимая для производства регулирования в подобных устройствах, весьма велика. Для осуп;ествления дистанционного и автоматического регулирования требуется электродвигатель и ряд иромежуточной аппаратуры, что осложняет и замедляет процесс регулирования. Кроме того, ни одип из указанных апиаратов не может быть г-ииюлнен на очень высокие напряжения и больище мощности. Задача не разрешается также применением реакторов с иодмагничиванием, так как введение в цепь сколько-нибудь значительного сериееного реакта ца сопряжено с большими потерями, ухудшением коэфициента мощности, увеличением колебан1й наиряжения при колебаниях нагрузки и искажением формы кривой 1апряжения.

Предлагавшиеся до сих пор трансформаторы с подразделенным магнитопроводом и с плавны.1 регулированием коэфициента трансформации путем перераспределения магнитных сопротивлении стерлшей за счет их подмагничивания вспомогательными , питаелгыми цостоянны током, обладали рядом недостатков, в частности, чрезмерно большим реактанцем.

Предмет изобретен1 я составляет однофазный трехстержневой трансформатор с подразделенным магнитопроводом и с плавной регулировкой вторичного напряжения путем подмагничивания постоянным током, свободный, в частности, от вышеупомянутого недостатка.

Согласно изобретению магнитопровод трансформатора составлен из четырех отдельных прямоугольных (с одним окном) замкнутых магн 1топроводов. Два из этих магнитропроводов образуют своими стержнями средни подразделенный стержень трансформатора, и каждый из них совместно с двумя другими магнитопровода п образует крайние етержни. Последние несут половины первичной обмотки, соединенные последовательно, и половины вторич137

ной обмотки, включенные навстречу друг другу. Обмотки же подмагничивания расположены на всех трех стержнях.

На фиг. 1 показан магнитонровод трансформатора без обмоток; на фиг. 2 - схема соединения первичных и вторичных обмоток трансформатора, причем обмотки подмагничивания не показаны; на фиг. 3 - схема соединения обмоток подмагничивания, причем рабочие обмотки не показаны; на фиг. 4 и 5 - соответственно, трехфазная н однофазная схемы трансформатора.

Рассматриваемый трансформатор является однофазны.м. Для трехфазной системы их должно быть взято три. Как видно из фиг. 2, трансформатор имеет две вторичные обмотки, расположенные на крайних стержнях магнитной системы. Магнитная система, изображенная на фиг. 1, состоит из трех отдельных магнитопроводов /, // и /Я, объединенных общими обмотка.ми. Магнитопровод // замыкается только вокруг обмоток / и 2, магнитопровод /// - только вокруг обмоток / и 2, магнитопровод / проходит через обе половины обеих обмоток, т. е. через 1, 2, } и 2, и не имеет среднего стержня.

Имеется три об.мотки управления с одинаковыми числами витков, показанные на фиг. 3. Об.мотка У| охватывает магнитопроводы / и /Л обмотка УЗ - магнитоироводы / и ///, н средняя обмотка управления Уа охватывает магнитопроводы // и ///.

Первичные обмотки / и / соединены последовательно и так, чтобы в магннтоироводе / они действовали согласно.

Вторичные обмотки 2 и 2 соединены также последовательно, но встречно, иначе говоря так, что протекающий через них ток не может создать магнитного потока в магнитопроводе /.

Допустим, что вначале магнитопроводы // и /// насыщены постоянным магнитным потоком, создаваемым обмотками управления, а магнитопровод / не насыщен. Тогда обмотки /, /, 2 и 2 образуют обычный трансформатор со вторич138

ными обмотками, включенным, встречно. Напряжение на вторично; стороне в этом случае, очевидно равно нулю. Если теперь уменьщат постоянное насыщение магнитопро вода // (или ///), одновременно уве личивая насыщение магнитопровода / и оставляя насыщенным третий магнитонровод, то симметрия нару щится. Поток, охватываемый обмот ками / и 2, увеличится, а поток охватываемый обмотками 1 и 2 уменьшится так, что напряжени в обмотках 2 и 2 перестанут быт равными, и на зажимах вторично цепи появится напряжение, величину которого можно плавно регулиро вать, изменяя степень постоянного насыщения магнитопроводов способом, описанным ниже. В предельнол; случае, когда с магнитопровода // (или ///) полностью снято насыщение, а остальные два магнитопровода полностью насыщены, мы имеем как бы трансформатор, образованный обмотками / и 2 (или / и , последовательно с которым включен насыщенный реактор, образованный обмотками / и 2 (или / и 2. Так как желательно по возможности уменьщить падение напряжения при нагрузке, то реактанн этого «реактора должен быть по воз.можности у.меньщен, что достигается обеспечением сформулированных ниже условий.

Функпия обмоток управления заключается в создании постоянных потоков насыщения и перераспределении их в целях регулирования напряжения. Достигается это следующим образом.

Вначале по обмоткам УЬ Vz и У-л протекают токи одинаковой величины, так что в магнитопроводах // и III их магнитодвижущие силы складываются, а в магнитопроводе / - компенсируются. Уменьщая ток в обмотке УЬ мы тем самым уменьщаем насыщение магнитопровода // и увеличиваем насыщение магнитопровода /. Меняя ток в обмотке У

от + 1„акс до -1макс, МЫТеМ СЯмым постепенно снимаем насыщение с магнитопровода // и насыщаем магнитопровод /, осуществляя выщеописанный процесс регулирования

5торичного напряжения от нуля до viaKCHMyMa. При этом ток в обмотках У2 и УЗ не должен меняться.

Регулирование можно осуществлять и изменением тока в обмотке УЗ, оставляя неизменным ток в У2 и У. При этом напряжение на вторичной обмотке будет обратным по фазе по отношению к напряжению при регулировании обмоткой У,.

Необходимо отметить следующее; ввиду того, что обмотки управления расположены на тех же стержнях, что и рабочие обмотки, в обмотках управления будет наводиться переменная э. д. с. Поэтому при работе трех трансформаторов в трехфазной группе необходимо соединить последовательно одноименные обмотки управления всех трех трансформаторов. При этом сумма переменных напряжений в цепи управления всегда будет равна нулю. При работе трансформатора в однофазной схе.ме следует включать параллельно два трансформатора половинной мощности, соединяя их соответствующие обмотки последовательно так, чтобы переменные э. д. с. в них компенсировались (схема на фиг. 5).

Помимо компенсации переменной э. д. с. в обмотках управления такая схема приводит к уничтожению четных гармоник в кривой напряжения трансформатора. Кроме того, гармоники, кратные трем, могут, как известно, быть уничтожены соответствую цим соединением обмоток трехфазной группы. Рабочие обмотки в схеме по фиг. 4 соединены в треугольник - звезду.

Качество трансформатора, как известно, определяется в значительной степени величиной тока холостого хода и напряжения короткого замыкания. При одних и тех же материалах сердечника, мощности трансформатора и выбранной магнитной индукции произведение тока холостого хода ;„ в процентах на напряжение короткого замыкания f в процентах остается величиной приблизительно постоянной, не зависящей от сечения железа и количества витков обмоток.

Поэтому качество трансформатора можно охарактеризовать величиной

/5-%- к%. (1)

Чем меньше эта величина, тем экономичнее трансформатор. Теоретические исследования приводят к следующей формуле для определения коэфициента Д у предлагаемого трансформатора:

) + 2 Р я1.(4у-Ь2)+2р

-, - - I где / - |-, ;,, -

длина

магнитного магнитопроводов // и /Я;

/ -длина магнитного пути л;агнитопровода /:

,dB т Ннасыщ.(3)

. /dB ,

L(w-первая производная (на аЯнась Щ.

клон) кривой намагничивания при максимальном насыщении постоянным током в гауссах/эрстед;

. - магнитная проницае.мость при максимальной переменной индукции в ненасыщенном сердечнике.

При наличии шихтовок ;лн стыков магнитопровода их следует учесть поправочным коэфициентом

/;: .1+Ув-Яраб.,(4)

где (1 - 8) 10-- - отнож

шение длины эквивалентной воздушной щели к длине магнитного пути данного магнитопровода.

В формуле (2) обычно у 0,7.

Вводя эту величину и предполагая

т -S-- 1 (что обычно и имеет место),

мы получим простую формулу для /8:

54000 (Г + Гв-,«раб.). (5)

Наилучшим материалом является такой, у которого т имеет величину не более 0,008-0,01 при напряженности постоянного магнитного поля не более 15 эрстед. Таким материалом являются слаболегированные и среднелегированные стали, у которых 1-2,5% Si; 0.2-0,25% С; 0,08-0,09% Мп; 0,0.1-0,02% Р и 0,04% S.

139 Для малых трансформаторов может найти применение пермаллой (78,5% Ni и 21,5% Fe), однако его преимущества теряются при наличии шихтовок и стыков, как видно из формулы (4). Порядок расчета. а)Выбирают материал и находят для него по формуле (5) величину /5. б)Задаются желательным напряжением короткого замыкания f % и находят ток холостого хода , в)Задаются максимальной переменной индукцией в ненасыиденком сердечнике (8000-9000 гауссов). г)Найдя по кривой намагничивания для вьгбранной индукции число ампервитков на сантиметр пути, зная длину пути и намагничивающий ток /н, находят число витков одной половины первичной обмотки; 1,1/ )Jn,j. I/2./%./и д)Находят число витков одной половины вторичной обмотки: U/2(I + )l/i/7 1 е)Сечение железа находят по известной формуле о i-l ДЛ , где / - частота, fi .макс -индукция, выбранная ранее (пункт «в настоящего расчета). Sb.) ж)Сечения обмотки определяются так же, как и для обычного трансформатора, - по допустимой плотности тока. з)Обмотки управления рассчитываются, исходя из напряженности магнитного ноля, необходимой для получения требуемого насыщения. Эта напряженность равна 10-15 эрстедам, или 8-12 ампервиткам на сантиметр магнитного пути. Предлагаемый трансформатор обладает следующими преимуществами. 1. Чисто электрическое регулирование при по.мощи постоянного тока небольшой мощности, что облегчает устройство авто.матического и ди станционного регулирования, а так же позволяет использовать транс форматор в качестве .магнитногс усилителя. 2.Отсутствие каких-либо подвиж ных частей, что дает возможность осуществить изоляцию регулятора на любые напряжения. 3.Сравнительно небольшое реактивное потребление. 4.Несложность конструкции j простота изготовления. 5.Отсутствие значительных искажений формы кривой напряжения. Основными областями нрименениу могут быть: 1.Приспособления для регулирования иод нагрузкой напряжен;- я силовых трансформаторов. Трансформатор, будучи включеь последовательно с обмоткой силового трансфор.матора, позволит получ ть плавное регулирОБа и- е напряжения под нагрузкой в пределах 5-10% при затрате на Зпра 5, е1;ис - 0,05-0,1% моп ностн силового трансфор.матора. Ре.п щрование легко .может быть выполне1 о дистанционным или авто.матическим. 2.Стабилизаторы низкого и высокого напряжения и величины тока. 3.Электромагнитные )силите;н-г. Включая каскадно несколько трансформаторов, т. е. питая ог одного трансформатора через выпрямитель об.мотку управления другого, .можж) по;гучить, особенно при повыщенной частоте, коэфициент усиления по мощности 10000 и вьиие, т. е. каскадные схемы с трансформаторами в некоторых случаях .могут за.менить а.мплидин, имея по сравнению с преимущество в больщей простоте, надежности и отсутствии подвижных частей. 4.Лабораторные и производственные схемы регулнрования напряжения, испытательные устройства, печные и сварочные установки. 5.За.мена агрегата Леонарда п}тем соедпнения трансформатора с вьщря.мителем. Такая cxe.ia имеет преимущества как перед агрегатог Леонарда (большая надежность трансформатора), так и по сравнению с управляемы.м выпрямителе.м

(больший к. п. д. и лучший коэфициент мощности трансформатора).

6.Пуск асинхронных и синхронных двигателей.

7.Различные схемы автоматики, в частности, схемы возбуждения и компаундирования синхронных машин.

Предмет изобретения

Однофазный трехстержневой трансформатор с подразделенным магнитопроводом и с плавной регулировкой вторичного напряжения путем перераспределения магнитных сопротивлений стержней за счет подмагничивания постоянным током, отличающийся тем, что магнитопровод составлен из четырех отдельных прямоугольных (с одним окном) замкнутых магнитопроводов, из которых два образуют своими стержнями средний подразделенный стержень трансформатора, и каждый из них совместно с двумя другими магнитопроводами образует крайние стержни, несущие половины первичной обмотки, соединенные последовательно, и половины вторичной обмотки, включенные навстречу друг другу, тогда как обмотки подмагничивания расположены на всех трех стержнях.

Фиг.

Фиг. 2

Фиг. 3 У-1 f2

9H,ifS, А

Фиг. 4