ТРАНСФОРМАТОР ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ТРЕХФАЗНЫЙ МНОГООБМОТОЧНЫЙ

Полезная модель относится к электротехнике, трансформаторостроению и может быть использована для обеспечения работоспособности многоуровневых преобразователей частоты частотно-регулируемых приводов магистральных насосных агрегатов нефтепроводов.
Из уровня техники известен электромагнитный трансформатор (патент США на изобретение №5317299, патентообладатель - фирма «Sundstrand» (US), опубл. 31.05.1994, МПК H01F 30/12; H01F 33/00; H02 J3/00).
Трансформатор имеет первичную и вторичную обмотки, размещенные соответственно на внешнем и внутреннем сердечниках для создания вращающегося электромагнитного поля. При подаче на первичную обмотку трехфазного напряжения образуется вращающееся магнитное поле, которое создает во вторичных обмотках несколько трехфазных напряжений. Первичная и вторичная обмотки соединяются в звезду или в треугольник. Вращающееся магнитное поле является симметричным по отношению к любой из вторичных обмоток. В этом главное преимущество трансформаторов на основе магнитопроводов, аналогичных конструкции статора трехфазных электродвигателей. Подобный входной трансформатор запатентован фирмой Siemens (патент США на изобретение №7948340 «Трехфазный многообмоточный трансформатор», опубл. 05.03.2009, МПК H01F 27/24; H01F 30/14; Н01F 2041/0662).
Недостатком трансформаторов с тороидальными магнитопроводами является сложность их изготовления на большие мощности (17 MB А и выше) с обеспечением заданных показателей надежности при работе в составе преобразователей частоты частотно-регулируемых приводов магистральных насосных агрегатов нефтепроводов.
Также известен многофазный трансформатор» (патент РФ №113416, опубликована 10.02.2012, МПК H01F 30/12, H01F 27/245 (2006.01), H01F 27/28), в которой в качестве составной части в многоуровневом частотном преобразователе предлагается использование многофазного трансформатора. Данный трансформатор состоит из сердечника, первичной и вторичной обмоток, магнитопровод набран из шихтованных пластин электротехнической стали изолированных друг от друга, соединенных между собой ярмом, секции трехфазной первичной обмотки выполнены в виде одинаковых катушек пропитанных изоляционным лаком в вакууме, витки которых образованы расщепленным медным проводником, представляющим собой несколько пластин разделенных между собой диэлектриком, ширина пластин соответствует ширине окна магнитопровода, концы и начала изолированных пластин соединены между собой в выводы, при этом концы пластин соединены в звезду, а начала образуют выводы первичной обмотки, каждая из первичных обмоток представляет собой высоковольтный фильтр на входе многофазного трансформатора, вторичные обмотки каждой из фаз имеют одинаковое количество витков, выполненных из медного расщепленного проводника, круглого или прямоугольного сечения, при этом каждая из обмоток охватывает стержень 3-х стержневого магнитопровода и расположены на промежуточных диэлектрических держателях одна над другой по длине стержня для отдельно взятой фазы, начала вторичных обмоток являются выводами, концы обмоток объединены в звезду с нулевым выводом.
Описанную конструкцию можно считать типовой, однако она имеет ряд ограничений при выполнении трансформаторов на большие мощности и трансформаторов для преобразователей частоты с высокой степенью пульсности схемы выпрямления.
К основным ограничениям относятся: высокие значения потерь в обмотках и магнитопроводе трансформатора; высокие значения добавочных потерь; существенные значения токов короткого замыкания во вторичных обмотках трансформатора; существенные броски тока намагничивания (сравнимы по величине с токами короткого замыкания) в момент постановки трансформатора под напряжение; сложности в организации эффективного отвода тепла от нагретых элементов. трансформатора большой протяженности; трудности при размещении многочисленных отводов вторичных обмоток в главном изоляционном канале с учетом требований к электрической прочности обмоток трансформатора и требований к показателям надежности трансформатора.
Задача предложенной полезной модели заключается в разработке трехфазного преобразовательного многообмоточного трансформатора мощностью 17 MB А на класс напряжения 10 кВ с незамкнутой системой воздушного охлаждения, обеспечивающего функционирование преобразователя частоты с высокой пульсностью схемы выпрямления
Технический результат заключается в повышении надежности трехфазного преобразовательного многообмоточного трансформатора, обеспечивающего работоспособность многоуровневого преобразователя частоты типа Perfect Harmony WCIII фирмы ««Siemens» для частотно-регулируемых электроприводов магистральных насосных агрегатов нефтепроводов.
Задача решается, а указанный технический результат достигается за счет того, что трансформатор преобразовательный трехфазный многообмоточный содержит трехстержневой магнитопровод, трехфазную первичную обмотку и многофазную вторичную обмотку, причем магнитопровод набран пластинами из анизотропной электротехнической стали с шихтовкой типа «Step-lap»; первичная обмотка выполнена внутренней и охватывает стержни магнитопровода; вторичная обмотка 3 выполнена внешней, охватывает снаружи первичную обмотку 2 и располагается от нее на расстоянии, обеспечивающем электрическую прочность воздушного промежутка; введена обмотка предварительного заряда, расположенная внизу стержня магнитопровода под первичной и вторичной обмотками; магнитопровод, первичная и вторичная обмотки снабжены каналами для воздушного охлаждения; трансформатор помещен в кожух, оборудованный осевыми, тангенциальными вентиляторами и барьером; в магнитопроводе, первичной, вторичной обмотках и обмотках предварительного заряда устанавлены датчики температуры с возможностью отображения информации на дисплее блока контроля температуры; при этом по высоте стержня магнитопровода вторичная обмотка разделены на отдельные секции, объединенные в группы, причем разные секции вторичной обмотки внутри одной группы имеют различное число витков, обеспечивающих заданные углы отставания; при этом секции вторичной обмотки с заданными углами отставания расположены в одинаковой последовательности внутри каждой из групп, а обмотки одной секции, расположенные на разных стержнях магнитопровода, имеют одинаковое число витков; при этом вторичная обмотка располагаются от первичной обмотки на расстоянии, обеспечивающем электрическую прочность воздушного промежутка.
Кроме того, указанный технический результат достигается в частных случаях реализации полезной модели за счет того, что:
- первичная и вторичная обмотки выполнены из медной фольги, обмотка предварительного заряда выполнена из медного провода, а в качестве изоляции обмоток использована арамидная бумага, при этом обмотки пропитаны высокотемпературным лаком по технологии вакуум-давления с последующей высокотемпературной полимеризацией.;
- мощность обмотки предварительного заряда составляет 1% от полной мощности трансформатора, а напряжение питания составляет 380 В;
- углы отставания для секций вторичных обмоток равны +25°, +15°, +5°, -5° -15°, -25°;
- входной воздушный поток формируется в нижней части кожуха, концентрируется и направляется барьером в каналы для воздушного охлаждения с последующим принудительным отводом горячего воздуха осевыми вентиляторами, размещенными в верхней части кожуха с подключением, при перегреве, тангенциальных вентиляторов, размещенных в нижней части кожуха;
- вторичная обмотка располагается от первичной обмотки на расстоянии, обеспечивающем электрическую прочность воздушного промежутка 28 кВ;
- осевые и тангенциальные вентиляторы имеет общую производительность вентиляции 33000 м /час;
- в качестве датчиков температуры применены термодатчики типа pt100;
Заявленная конструкция устройства поясняется чертежами:
- на фиг. 1 показан трансформатор (вид слева, разрез);
- на фиг. 2 показана принципиальная схема основных составных частей трансформатора.
На фиг. 1 и фиг. 2 обозначено:
1 - магнитопровод;
2 - первичная обмотка;
3 - вторичная обмотка;
4 - обмотка предварительного заряда;
5 - секция вторичной обмотки;
6 - группа секций вторичной обмотки; 7- отвод секции вторичной обмотки;
8 - направленный воздушный поток;
9 - кожух;
10- барьер;
11- осевой вентилятор;
12 - тангенциальный вентилятор;
13 - входной воздушный поток;
14 - выходной воздушный поток;
15 - линейные отводы первичной обмотки.
Магнитопровод 1 трансформатора выполнен трехстержневым и изготовлен из анизотропной электротехнической стали с шихтовкой пластин типа «Step-Lap», что обеспечивает снижение значений тока и потерь холостого хода. Магнитопровод 1 имеет каналы для воздушного охлаждения (на фиг. 1, 2 не показаны) и покрывается термостойким лаком, что предохраняет его от коррозии.
Первичная 2 и вторичная 3 обмотки выполнены из медной фольги с арамидной изоляцией и имеют каналы охлаждения (на фиг. 1, 2 не показаны), обмотка предварительного заряда 4 выполнена из медного провода. В качестве изоляции для всех обмоток использована арамидная бумага.
Арамидная бумага обладает высокой электрической и механической прочностью, хорошей стойкостью к химическим продуктам и повышенной нагревостойкостью, не воспламеняется и не поддерживает горение. Материал, после пропитки, имеет низкую гигроскопичность при увеличении влажности окружающей среды, что важно для поддержания высокой электрической прочности изоляции.
Первичная обмотка 2 и обмотка предварительного заряда 4 имеют схему соединения «звезда», а вторичная обмотка 3 реализована по схеме соединения «треугольник с продолженными сторонами». Вторичная обмотка состоит из восемнадцати секций вторичной обмотки 5, каждая из которых расположена на трех стержнях магнитопровода 1.
Обмотки пропитываются высокотемпературным лаком по технологии вакуум-давление с последующей высокотемпературной полимеризацией.
Данная конструкция обмоток обеспечивает наилучшую стойкость к токам короткого замыкания.
Отличительной особенностью данного трансформатора является следующее:
- первичная обмотка 2 выполнена внутренней, располагается непосредственно возле стержня магнитопровода 1, охватывая его.
- вторичная обмотка 3 выполнена внешней, охватывает снаружи первичную обмотку 2 и располагается от нее на расстоянии, обеспечивающем электрическую прочность воздушного промежутка. При большом количестве секций, вторичной обмотки 5 данное расположение позволяет выполнять сложные схемы соединения обмоток (в разработанном трансформаторе реализована схема соединения «треугольник с продолженными сторонами»), а так же осуществлять присоединение кабелей преобразователя частоты (на фиг. 1, 2 не показан) к отводам секций вторичной обмотки 5 с учетом требований безопасности, надежности и простоты обслуживания.
По высоте стержня вторичная обмотка 3 разделена на самостоятельные обмотки - секции вторичной обмотки 5, которые вдоль стержня магнитопровода выделяются в группы секций вторичной обмотки 6. Разные секции вторичной обмотки внутри одной группы имеют различное число витков для достижения различных групп соединения с заданными углами отставания. В разработанном трансформаторе заданы следующие углы отставания для секций вторичной обмотки: +25°, b+15°, +5°, -5°, -15°, -25°. Секции вторичной обмотки 5 с заданными углами отставания расположены в одинаковой последовательности внутри каждой из групп. Обмотки одной секции вторичной обмотки 5, расположенные на разных стержнях магнитопровода 1, имеют одинаковое число витков;
- в конструкцию трансформатора внесена обмотка предварительного заряда 4. Она представляет собой дополнительную маломощную обмотку для осуществления предварительного заряда силовых ячеек преобразователя частоты и исключения броска тока намагничивания в момент постановки трансформатора под напряжение. Данные обмотки рассчитаны на кратковременный режим работы. Обмотка предварительного заряда 4 по конструкции аналогична первичной 2 и вторичной 3 обмоткам. Обмотка предварительного заряда располагается внизу стержней магнитопровода 1 под всеми остальными обмотками.
Для эффективного отвода большого количества тепла от нагретых протяженных элементов трансформатора, требуется подача направленного воздушного потока 8 в каналы для воздушного охлаждения. Для этого трансформатор помещен в кожух 9, оборудованный барьером 10, осевыми 11 и тангенциальными 12 вентиляторами.
Барьер представляет собой лист из электроизоляционного материала (например, стеклотекстолит) с отверстиями, при которых зазор между стенками барьера и наружной поверхностью секции вторичной обмотки обеспечивает требуемые направление и концентрацию входного воздушного потока 13.
Входной воздушный поток 13 формируется в нижней части кожуха 9, концентрируется барьером 10 и в виде направленного воздушного потока 8 направляется в каналы для охлаждения магнитопровода и обмоток с последующим принудительным отводом выходного воздушного потока 14 в виде горячего воздуха осевыми 11 вентиляторами из верхней части кожуха 9.
Данное техническое решение позволяет изготавливать трансформаторы большой мощности. При нормальном температурном режиме воздушные потоки нагнетается только осевыми вентиляторами 11, размещенными в верхней части кожуха 9.
Так же на трансформаторе установлены тангенциальные вентиляторы 12, размещенные в нижней части кожуха 9, которые предназначены для дополнительного охлаждения трансформатора в случае перегрева обмоток.
В целях контроля температурного состояния трансформатора в магнитопроводе 1 и обмотках 2, 3, 4 в местах наибольшего нагрева устанавливаются датчики температуры (на фиг. 1, 2 не показаны), информация с датчиков температуры выводится на блок контроля температуры (на фиг. 1, 2 не показан) с возможностью отображения поступающей информации на дисплее.
Забор входного воздушный потока 13 осуществляется из помещения установки преобразователя частоты через нижние панели (на фиг. 1, 2 не показаны) кожуха 9. Степень защиты кожуха трансформатора соответствует IP21.
Выходной воздушный поток 14 в виде горячего воздуха отводиться из кожуха 9 трансформатора в помещение установки преобразователя частоты либо по воздуховодам за пределы помещения установки.
Кожух 9 конструктивно состоит из секций со съемными панелями (на фиг. 1, 2 не показаны), что облегчает монтаж и обслуживание трансформатора на месте его эксплуатации.
Особенностями предлагаемой полезной модели является:
- включение в конструкцию трансформатора обмотки предварительного заряда 4, позволяющих обеспечивать изготовление трансформаторов большой мощности без использования в составе преобразователя частоты дополнительных трансформаторов, предназначенных для предотвращения бросков тока намагничивания в момент пуска, что позволяет повысить стойкость трансформатора к электродинамическим воздействиям, и, следовательно, повысить надежность трансформатора;
- реализация наружного расположения вторичной обмотки 3 по отношению к первичной обмотки 2, что позволяет повысить надежность трансформатора за счет улучшения условий охлаждения обмоток и повышения электрической прочности воздушного промежутка между первичной 2 и вторичной 3 обмотками за счет переноса из пространства между первичной 2 и вторичной 3 обмотками кабелей (на фиг. 1, 2 не показаны) для соединения преобразователя частоты и отводов секций вторичной обмотки 3 и их схемных перемычек (на фиг. 1, 2 не показаны). Дополнительным положительным эффектом является простота обслуживания контактных соединений отводов секции вторичных обмоток 3;
- применения обмоток из медной фольги с арамидной изоляцией, пропитанных высокотемпературным лаком по технологии вакуум-давления с последующей высокотемпературной полимеризацией, позволяющей повысить стойкость трансформатора к токам короткого замыкания;
- - применение барьера 10 для эффективного теплоотвода с поверхностей нагретых элементов активной части трансформатора, имеющих большую протяженность, что позволяет повысить надежность преобразовательных трансформаторов больших мощностей с воздушной системой охлаждения.
Трансформатор работает следующим образом.
При постановке трансформатора под напряжение на линейные отводы первичной обмотки 15 подается трехфазное напряжение промышленной частоты. Протекающий по первичной обмотке 2 ток намагничивания создает в магнитопроводе 1 переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, наводит во вторичной обмотке 3 электродвижущую силу. При этом первичная обмотка 2, соединенная по схеме «звезда», является фильтром высших гармоник. При подключении отводов вторичной обмотки 3, соединенных по схеме «треугольник с продолженными сторонами», к преобразователю частоты в секциях вторичной обмотки 5 возникает ток, пропорциональный нагрузке.
Поскольку нагрузкой для вторичной обмотки 3 является конденсаторы схемы выпрямления преобразователя частоты, то в момент подачи напряжения на трансформатор ток намагничивания достигает значений сопоставимых с токами короткого замыкания (разряженные конденсаторы схемы выпрямления фактически находятся в режиме короткого замыкания). При выполнении трансформатора на большие мощности значение тока намагничивания становится значительным, что ведет к увеличению амплитуды бросков тока намагничивания (и как следствие увеличению амплитуды электродинамических усилий, действующих на обмотки трансформатора), что существенно снижает надежность трансформатора.
В целях повышения надежности в конструкцию трансформатора добавлена маломощная обмотка предварительного заряда 4. Перед подачей на первичную обмотку 2 трехфазного напряжения промышленной частоты производится подача трехфазного напряжения промышленной частоты на обмотку предварительного заряда 4. (номинальное значение напряжение может соответствовать напряжению, подаваемому на первичную обмотку, либо может быть снижено до значения менее 1 кВ, что позволит упростить конструкцию и повысить надежности трансформатора). В разработанном трансформаторе обмотка предварительного заряда 4 рассчитана на номинальное напряжение 380 В. Мощность данной обмотки выбирается исходя из условия обеспечения заряда конденсаторов силовых ячеек преобразователя частоты. В разработанном трансформаторе мощность обмотки предварительного заряда 4 составляет 1% от полной мощности трансформатора. По завершении заряда конденсаторов схемы выпрямления преобразователя частоты напряжение с обмотки предварительного заряда 4 снимается, одновременно производится подача напряжения на линейные отводы первичной обмотки 2 и последующее преобразование данного напряжения во вторичной обмотке 3.
При достижении некоторого установленного значения температуры первичной 2, вторичной обмотки 3 и/или магнитопровода 1 производится пуск осевых вентиляторов 11, создающих направленный воздушный поток 8. Направленное движение и концентрация охлаждающего воздуха у нагретых поверхностей достигается за счет применения барьера 10. В случае недостаточной эффективности осевых вентиляторов 11 и превышения установленных значений температуры производится запуск тангенциальных вентиляторов 12, увеличивающих объем поступающего входного воздушного потока 13.
Применение предложенных технических решений позволяет изготавливать трансформаторы трехфазные преобразовательные многообмоточные большой мощности для работы в составе преобразователя частоты с высокой пульсностью схемы выпрямления и обеспечивает высокую надежность изделия.
Проведенные испытания разработанного трансформатора трехфазного преобразовательного многообмоточного мощностью 17 MBА на класс напряжения 10 кВ в условиях испытательной лаборатории, последующие испытания на объекте эксплуатации в составе преобразователя частоты и проведенная опытно-промышленная эксплуатация подтвердили высокий уровень надежности и эффективности трансформатора и принятых технических решений. В ходе испытаний было установлено, что номенклатура показателей надежности по ГОСТ 27.003-90 соответствует следующим показателям: установленная наработка на отказ - не менее 40000 часов, назначенный ресурс - 340000 часов, вероятность безотказной работы на наработку 8800 часов - не менее 0,995, срок службы - не менее 40 лет.
Полезная модель обеспечивает надежное бесперебойное функционирование эксплуатируемых на объектах трубопроводной системы «ВСТО-1» ОАО «АК «Транснефть» преобразователей частоты типа Perfect Harmony WCIII.