ТРАНСФОРМАТОР, СОДЕРЖАЩИЙ ТРЕХФАЗНУЮ И КРУГОВУЮ ОБМОТКИ
TRANSFORMER, CONTAINING THREE-PHASE AND CIRCULAR WINDINGS

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:
Z
- наличие прямого открытого паза, в силу чего в кривой магнитного поля появляются зубцовые гармонические составляющие с относительными частотами v=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);
- зубцовые гармонические составляющие имеют значительную амплитуду (более 1 Тл) и препятствуют 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 существенно усложняет технологию изготовления трансформатора с вращающимся магнитным полем, а также не способствует устранению высших гармоник, обусловленных насыщением стали, в кривых линейных напряжений;
- 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 имеющего пазов на боковой поверхности, так как пазы у среднего магнитопровода проточены только на его торцевых поверхностях;
- 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 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;
- неэффективные условия охлаждения обмоток вследствие отсутствия канала для прохождения воздуха между первичной и вторичной обмотками;
- невозможность применения скоса магнитных осей первичной обмотки относительно вторичной как основного средства по ликвидации проявления зубцовых гармоник магнитного поля в кривых фазных и линейных ЭДС;
- повышенный расход меди за счет значительных лобовых частей обмоток.
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 силовых обмоток с диаметральным шагом на обмотки с укороченным шагом и дробным числом пазов на полюс и фазу, данное мероприятие 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 90…95% и коэффициента мощности до 0,85…0,90.
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.
Число пазов на внешнем и внутреннем магнитопроводах выбирается одинаковым числом, кратным трем и не являющимся четным.
Внешний и внутренний магнитопроводы стыкуются так, чтобы обеспечить расположение их зубцов строго напротив друг друга, так как именно при таком их взаимном расположении достигается наибольшее приближение кривой магнитного поля к синусоидальной форме.
Воздушный зазор между магнитопроводами имеет постоянную величину, определяемую, исходя из требований к основной кривой намагничивания трансформатора.
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 круговой обмотки совпадает с аксиальной осью центральной симметрии внутреннего магнитопровода, а магнитная ось трехфазной обмотки располагается под углом к аксиальной оси симметрии так, чтобы получить скос трехфазной обмотки относительно круговой на одно зубцовое деление.
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.
Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим 7 (семь) принципиальных отличий от прототипа:
- для обеспечения линейности основной кривой намагничивания магнитопровода трансформатора при замыкании основного вращающегося магнитного потока в конструкцию введен воздушный зазор, также подавляющий высшие гармоники магнитного поля;
- для улучшения электромагнитной совместимости полупроводниковых преобразователей 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 круговых обмоток;
- для практически полного подавления зубцовых гармоник магнитного поля используется скос магнитной оси трехфазной обмотки относительно магнитной оси круговой на одно зубцовое деление;
- трехфазная и круговая обмотки с отводами укладываются в полузакрытые пазы внешнего и внутреннего магнитопроводов соответственно с применением общей технологии выполнения обмоток;
- улучшаются условия охлаждения обмоток за счет их расположения на различных магнитопроводах с внутренней и внешней сторон;
- уменьшается удельный расход меди за счет сокращения длины лобовых частей обмоток;
- исключаются два дополнительных боковых витых магнитопровода, за счет чего улучшаются массогабаритные характеристики и понижается показатель удельного расхода материалов (кг/кВт).
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 из двух частей: внутренней и внешней, - имеющих одинаковое число пазов, а также где шлиц одного зубца располагается напротив другого для наибольшего приближения кривой магнитного поля к синусоидальной форме, образуя единую магнитную систему, в которой наличествует требуемый воздушный зазор, обеспечивающий необходимую линейность основной кривой намагничивания магнитопровода трансформатора, что позволяет получить высокий КПД и коэффициент мощности трансформатора, а применение 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, дополнительно применен скос обмоток с целью ликвидации высших гармоник зубцового порядка для обеспечения коэффициента гармоник менее 3…4% без дополнительных мероприятий.
Краткое описание чертежей. Изобретение поясняется чертежами в количестве 4-х (четырех) штук.
На фиг. 1 и фиг. 2 показан трансформатор с вращающимся магнитным полем, 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).
На фиг. 3 приведено изображение магнитопроводов (поз. 1, поз. 2) трансформатора в сборе в аксонометрии.
На фиг. 4 показана несинусоидальная кривая магнитного поля, а также спектр кривой ЭДС, получаемой при данной конструкции трансформатора при наличии введенных коэффициентов укорочения, распределения и скоса обмоток.
Осуществление устройства.
Трансформатор формируется из двух частей: внутреннего шихтованного магнитопровода и внешнего шихтованного магнитопровода, имеющих полузакрытые пазы на полную высоту катушечной группы. Обмотки выполняются барабанными всыпными двухслойными с равным шагом.
При формировании общего шихтованного магнитопровода внутренний магнитопровод концентрически вставляется внутрь внешнего с сохранением равномерного воздушного зазора на протяжении двойного полюсного деления.
Взаимное расположение магнитопроводов должно быть обеспечено так, чтобы с краев имело место точное совпадение шлицов зубцов внешнего магнитопровода со шлицами зубцов внутреннего; данная конструкция трансформатора позволяет получить высокий КПД и коэффициент мощности, применение трехфазной и круговой обмоток с укороченным шагом, выбор дробного числа пазов на полюс и фазу для трехфазной и круговых обмоток и скос обмоток относительно друг друга обуславливают 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  возбуждает в секциях круговой обмотки ЭДС индукции, сдвинутые относительно друг 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 в том случае, если реализовано применение трансформатора в выпрямительном агрегате.
При выполнении внутреннего и внешнего магнитопроводов 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 2,5…3,5 раза, не вызывая более ограничение роста основной гармоники магнитного поля, которая индуцирует основную гармонику ЭДС, уравновешивающую приложенное извне трехфазное напряжение.
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, сократить расход активных материалов: электротехнической меди и стали, - улучшить условия охлаждения обмоток при реализованной разнесенной их конструкции на внешнем и внутреннем магнитопроводах.