ТЯГОВЫЙ ТРАНСФОРМАТОР
TRACTION TRANSFORMER

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к тяговым трансформаторам для электрических рельсовых транспортных средств. Оно относится к тяговым трансформаторам, описанным в ограничительной части п.п. 1 и 2 формулы изобретения.
Предшествующий уровень техники
В электрических рельсовых самодвижущихся транспортных средствах, таких как локомотивы и мотор-вагоны, тяговый трансформатор является ключевым элементом тяговой цепи. При отказе тягового трансформатора поезд не может двигаться, и секция пути блокируется. Тяговый трансформатор является главным трансформатором рельсового транспортного средства и подает энергию от контактного провода на тяговый электродвигатель и на все бортовые системы. Тяговым трансформаторам приходится принимать разные входные частоты (от 50 Гц до 16,7 Гц) и напряжения (25 кВ), и подавать питание на различные асинхронные двигатели переменного тока и преобразователи и двигатели постоянного тока с разными требованиями к фильтрованию и подавлению гармоник. Для преобразования высокой мощности тяговый трансформатор должен иметь существенные размеры и вес. Тяговый трансформатор должен выдерживать все возникающие механические вибрации, удары и силы ускорения рельсового самодвижущегося транспортного средства.
Тяговый трансформатор обычно устанавливают за пределами основного кожуха тягового транспортного средства, т.е., под полом или на крыше, где пространство ограничено из-за максимально допустимой высоты транспортного средства или имеющегося пространства между нижней поверхностью пола и рельсом. Тяговые трансформаторы также могут находиться внутри основного кожуха и испытывают такие же пространственные ограничения. Далее, из-за существенного веса трансформатора, следует принимать соответствующие меры, если требуется установка на крышу или под полом.
Первые тяговые трансформаторы конструировались с сухой или воздушной изоляцией, приводящей к частым отказам из-за электрического пробоя во время работы. Такие отказы вызывались пылью или влагой, воздействию которых был повержен трансформатор.
В настоящее время современные тяговые трансформаторы для электрических рельсовых самодвижущихся транспортных средств для соответствия требованиям являются по типу изоляции являются масляными трансформаторами. Масло является очень хорошим теплоносителем и хорошим изолирующим материалом по равнению с воздухом, когда требуется получить высокую плотность мощности. Обмотки и сердечник масляных трансформаторов полностью заключены в бак, заполненный трансформаторным маслом. Бак имеет соответствующие средства, расположенные на его внешней стороне, для установки на самодвижущееся транспортное средство. Такими монтажными средствами являются балки, плиты и пр., приваренные к баку (корпусу) тягового трансформатора, которые должны выдерживать полный вес бака, трансформатора и трансформаторного масла. Следовательно, бак должен иметь стенки достаточной толщины и быть изготовлен из тяжелого материала, такого как сталь, чтобы обеспечить механическую стабильность.
В документе GB874730 описывается устройство масляного трансформатора для рельсового самодвижущегося транспортного средства, содержащее главный трансформатор, расположенный в трансформаторном баке. Трансформаторный бак заполнен маслом. Бак установлен под полом рельсового транспортного средства.
В WO2014086948 А2 раскрывается тяговый трансформатор с обмотками, погруженными в структуру, заполненную маслом. Замкнутый сердечник проходит через внутреннюю полость центрального внутреннего цилиндрического элемента, который образует часть кожуха и, поэтому, не контактирует с маслом.
Целью настоящего изобретения является создание компактной конструкции тягового трансформатора, имеющего уменьшенные размеры и вес, сохраняя при этом требуемую плотность мощности.
Каткое описание изобретения
Эта цель достигается с помощью тягового трансформатора по п.п. 1 и 2 формулы изобретения.
Другие варианту настоящего изобретения приведены в зависимых пунктах формулы.
Согласно первому аспекту изобретения, предлагается тяговый трансформатор для рельсовых транспортных средств, содержащий:
- кожух, заполненный изолирующей жидкостью,
- по меньшей мере две обмотки, расположенные в кожухе,
- сердечник трансформатора,
- крепежные средства для установки трансформатора на рельсовом транспортном средстве,
в котором сердечник трансформатора расположен за пределами кожуха, и
в котором крепежные средства прикреплены к сердечнику трансформатора.
Одна идея вышеописанного тягового трансформатора заключается в том, что обмотки расположены в кожухе, а сердечник трансформатора может проходить через кожух, не контактируя с изолирующей жидкостью и, тем самым, позволяя прикрепить крепежные средства непосредственно к сердечнику трансформатора для установки трансформатора на рельсовом транспортном средстве. Другими словами, крепежные средства и сердечник трансформатора соединены непосредственно и находятся в непосредственном физическом контакте. Силы, действующие на рельсовое транспортное средство, передаются непосредственно на сердечник трансформатора через крепежные средства. С другой стороны, силы, действующие на трансформатор, передаются непосредственно от сердечника трансформатора на рельсовое транспортное средство через крепежные средства. Такой трансформатор позволяет снизить качество изолирующей жидкости, заполняющей кожух, и упростить механическую конструкцию кожуха. Поэтому вышеописанный тяговый трансформатор имеет уменьшенные размеры и вес.
Кроме того, кожух тягового трансформатора прикреплен к сердечнику трансформатора по меньшей мере двумя поддерживающими элементами.
Крепежные средства могут быть прикреплены только к сердечнику (40) тягового трансформатора. Поэтому, другие детали трансформатора, в частности, кожух трансформатора, не используются для крепления крепежных средств. Следовательно, для всех деталей, которые не участвуют в креплении крепежных средств можно использовать меньшее количество материала и более легкий материал. Это снижает общий вес тягового трансформатора.
Кроме того, кожух может быть образован по меньшей мере одним цилиндрическим внутренним корпусом и цилиндрическим внешним корпусом, частично окружающим по меньшей мере один цилиндрический внутренний корпус, в котором замкнутый объем кожуха между по меньшей мере одним цилиндрическим внутренним корпусом и цилиндрическим внешним корпусом заполнен изолирующей жидкостью, и в котором части сердечника трансформатора проходят через по меньшей мере один цилиндрический внутренний корпус. Обмотки охватывают внутренний цилиндрический корпус и опираются на внешнюю поверхность внутреннего цилиндрического корпуса.
На осевых концах кожуха могут быть установлены первая крышка и вторая крышка. Кожух зажат между по меньшей мере двумя опорными элементами, прижимающимися осевыми концами к первой и ко второй крышке.
Первая крышка и вторая крышка имеют непроницаемое для жидкости уплотнение относительно осевых концов кожуха. Обе крышки имеют по меньшей мере одно отверстие, соответствующее диаметру по меньшей мере одного цилиндрического внутреннего корпуса. Таким образом, образован полый цилиндр, который содержит изолирующую жидкость. Типично, стержни, являющиеся частями сердечника трансформатора, проходят через проход в полом цилиндре. Непроницаемое для жидкости уплотнение может быть сформировано клеевым соединением, прокладкой или сваркой.
Кроме того, тяговый трансформатор стержневым трансформатором, что означает, что замкнутый сердечник образуют два ярма и два стержня. К каждому стержню прикреплена по меньшей мере одна обмотка. Ярма выходят наружу на обоих осевых концах кожуха, и к ним прикреплены крепежные средства.
Поскольку основной функцией кожуха является служить баком для изолирующей жидкости, а не быть фиксатором для крепежных средств, его можно изготовить из легкого материала. Предпочтительными материалами кожуха могут быть стекловолокно, композит на основе эпоксидной смолы или алюминий.
Крепежным средством может быть крепежная рама с параллельными боковыми планками. Боковые планки прикреплены к ярмам и проходят параллельно направлению ярма.
Кроме того, могут иметься элементы жесткости, поглощающие силы вдоль направления ярма и, наряду с ними, вдоль направления движения рельсового транспортного средства. Элементы жесткости прикреплены к боковым планкам рамы и к той части трансформатора, которая проходит через цилиндрический внутренний корпус.
По меньшей мере два опорных элемента могут быть адаптированы к форме первой крышки и второй крышки. Эти фасонные опорные элементы предотвращают выход магнитных полей рассеивания в осевом направлении обмоток и стержней сердечника. При этом сокращаются паразитные эффекты полей рассеивания на соседние ферромагнитные части рельсового транспортного средства и рельсы, приводящих к образованию вихревых токов, и другие потери.
В сечении, перпендикулярном осевому направлению обмоток, кожух может иметь форму восьмерки. Такое сечение преимущественно улучшает механическую стабильность цилиндрического внешнего корпуса и, вместе с ним, всего кожуха и одновременно уменьшает замкнутый объем и, следовательно, количество необходимой изолирующей жидкости.
Краткое описание чертежей
Далее следует более подробное описание вариантов настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи, где:
Фиг. 1 - рельсовое транспортное средство с тяговым трансформатором, установленным под полом корпуса транспортного средства.
Фиг. 2а - вид в перспективе тягового трансформатора для горизонтальной установки.
Фиг. 2b - вид соку тягового трансформатора.
Фиг. 2с - другой вид сбоку тягового трансформатора.
Фиг. 2d - сечение тягового трансформатора по настоящему изобретению.
Фиг. 3 - вид в перспективе тягового трансформатора для вертикальной установки.
Описание вариантов
Далее следует подробное описание вариантов, один или более пример которых показан на чертежах. Каждый пример приведен для пояснения и не ограничивает настоящее изобретение. В нижеследующем описании чертежей одинаковые компоненты обозначены одними и теми же позициями. По существу описываются лишь различия между отдельными вариантами.
На фиг. 1 схематически показано рельсовое транспортное средство 1, оснащенное тяговым трансформатором 10, установленным под полом корпуса транспортного средства. В других вариантах трансформатор может быть установлен на крыше транспортного средства или в машинном отсеке внутри корпуса транспортного средства.
Далее следует описание первого варианта тягового трансформатора со ссылками на фиг. 2а-2d. Тяговый трансформатор 10 содержит кожух 20, заполненный изолирующей жидкостью 205. Изолирующая жидкость типично содержит минеральное масло, силиконовое масло, синтетическое или растительное масло и служит для электрической изоляции обмоток и для охлаждения обмоток.
Кожух 20 образован двумя цилиндрическими внутренними корпусами 201, 202 и цилиндрическим внешним корпусом 203, окружающим два цилиндрических внутренних корпуса 201, 202. Каждый цилиндрический внутренний корпус 201, 202 имеет кольцевое сечение и имеет ось цилиндра, проходящую по существу параллельно оси цилиндра внешнего корпуса 203, которая проходит в осевом направлении Y, показанном на фиг. 2d. Осевое направление Y также является осевым направлением обмоток 30, 31. Цилиндрические внутренние корпуса 200, 201 также могут иметь форму другого сечения (поперек осевого направления Y).
Каждый из двух концов кожуха 20 закрыт первой и второй крышками 207, 207, соответственно. Первая и вторая крышки 206, 207, два цилиндрических внутренних корпуса 201, 202 и цилиндрический внешний корпус 203 образуют замкнутый объем, заполненный изолирующей жидкостью 205, в частности, трансформаторным маслом. Обмотки 30, 31, расположенные внутри кожуха, полностью погружены в трансформаторное масло. Поэтому, первая и вторая крышки 206, 207 уплотнены непроницаемо для жидкости относительно цилиндрического внешнего корпуса 203 и цилиндрических внутренних корпусов 201, 202. Уплотнение может быть клеевым. Альтернативно, уплотнением может быть образовано прокладкой или сваркой.
На фиг. 2d показано сечение по линии А-А на фиг. 2b тягового трансформатора 10 по первому варианту изобретения, на котором видны два круглых отверстия 208, 209 в первой и второй крышках 206, 207, соответственно и эти отверстия 208, 209 согласованы с внутренним диаметром цилиндрического внутреннего корпуса 201. Два других отверстия выполнены и согласованы с внутренним диаметром цилиндрического внутреннего корпуса 202.
Два стержня 403, 404 сердечника 40 трансформатора проходят через два цилиндрических внутренних корпуса 201, 202 и вместе с ними, через две обмотки 30, 31. Стержни 403, 404 соединены ярмами 401, 402 трансформатора на осевых концах кожуха 20. Таким образом, образован стержневой трансформатор, в котором в трансформаторное масло погружены только обмотки 30, 31. Сердечник 40 трансформатора находится снаружи кожуха и, поэтому, не контактирует с трансформаторным маслом и может охлаждаться воздухом. Обмотки 30 31, намотаны на соответствующие цилиндрические внутренние корпуса 201, 202. Проводники обмоток 30, 31, могут иметь форму проволоки, например, спирали из металлической проволоки, например, медной проволоки, или они могут быть пластинчатыми, покрытыми электроизолирующим слоем и спирально намотанными вокруг цилиндрических внутренних корпусов 201, 202. Обмотка 30 может работать как первичная обмотка, а обмотка 31 может работать как вторичная обмотка тягового трансформатора 10, или наоборот.
Чтобы не допустить короткого замыкания, два цилиндрических внутренних корпуса 201, 202, не должны работать как виток паразитной вторичной обмотки. Поэтому, оба внутренних корпуса 201, 202, изготовлены из электроизолирующего материала, например, композита на основе эпоксидной смолы.
Для горизонтальной установки тягового трансформатора 10 на рельсовое транспортное средство 1 плоскость, определяемая направлениями X-Y, проходит по существу параллельно крыше или полу рельсового транспортного средства 1.
Как показано на фиг. 2а-2d, сердечник 40 трансформатора прикреплен к крепежному средству 50, которое выполнено как монтажная рама. Такая рама позволяет крепить трансформатор 10 на крышу или под пол рельсового транспортного средства и имеет две параллельные боковые планки 501, 502, которые приварены к двум поперечным планкам. Боковые планки 501, 502 проходят в направлении продольной оси рельсового транспортного средства и в направлении движения этого транспортного средства, которое обозначено позицией X. За счет крепления сердечника 40 трансформатора непосредственно к раме и, через нее к рельсовому транспортному средству, осуществляется крепление самой тяжелой части трансформатора, не считая обмоток и, преимущественно, силы ускорения и вибрации от рельсового транспортного средства могут передаваться непосредственно на сердечник трансформатора. Это упрощает механическую конструкцию тягового трансформатора 10 и, в частности, конструкцию кожуха 20.
Тяговый трансформатор 10 прикреплен к раме только сердечником 40, который опирается на боковые планки 501, 502 рамы. В частности, ярма 401, 402 трансформатора и концы стержней 403, 404 трансформатора, которые выступают за осевые концы кожуха 20, опираются на вершины боковых планок 501, 502. В других вариантах рама может лежать на верхней поверхности сердечника 40 трансформатора.
Крепление между сердечником 40 трансформатора и боковыми планками 501, 502 осуществляется винтовыми соединениями. Для обеспечения большой жесткости и стабильности между сердечником 40 и рамой, сердечник 40 трансформатора является сердечником типа «step-lap», в котором один или несколько слоев стержней 403, 404 наложены на один или несколько слоев ярм 401, 402, как показано на фиг. 2d. В сердечнике 40 трансформатора выполнено 8 сквозных отверстий, из которых четыре выполнены на четырех углах сердечника 40 трансформатора, в наложенных друг на друга областях стержней 403, 404, и ярм 401, 402. Когда сердечник 40 трансформатора закреплен на раме винтами, то одновременно стержни свинчиваются с ярмами 401, 402. Ярма 401, 402 ориентированы параллельно боковым планкам 501, 502 и, вместе с ними, параллельно направлению Х.
Рама установлена на рельсовом транспортном средстве 1 на четырех изогнутых ножках, которые приварены к концам боковых планок 501, 502.
Как показано на фиг. 2а-2d, кожух 20 прикреплен к сердечнику 40 трансформатора четырьмя уголковыми опорными элементами 60, 61, 62, 63, два 60, 62 из которых расположены на верней части сердечника 40 трансформатора на осевых концах кожуха 20, а два других уголковых опорных элемента 61, 63 расположены на нижней части сердечника 40 трансформатора на осевых концах кожуха 20.
Каждый уголковый опорный элемент 60, 61, 62 63 привинчен одной из своих двух полок непосредственно к сердечнику 40 трансформатора, а кожух 20 зажат между другими полками. Эти другие полки на осевых концах нажимают на первую и вторую крышки 206, 207. Опорный элемент 60 на верхней части сердечника 40 трансформатора и опорный элемент 61 на нижней стороне сердечника 40 трансформатора имеют регулировочные винты для установки силы контакта для зажима кожуха 20. Регулировочные винты закреплены на полке опорного элемента 60, 61, которые прижимаются к первой 206 или второй 207 крышке.
Каждое из ярем 401, 402 тягового трансформатора 10 привинчено к соответствующей боковой планке 501, 502 рамы, соответствующим опорным элементом 60, 61, 62, 63 на верхней части сердечника трансформатора и соответствующим опорным элементом 60, 61, 62, 63 на нижней части сердечника трансформатора 10. Винтовое соединение проходит перпендикулярно осевому направлению Y обмоток.
Опорные элементы 60, 61, 62, 63 могут быть адаптированы полностью или частично к форме первой крышки 206 или второй крышки 207 (не показана) так, чтобы предотвратить выход магнитного потока в осевом направлении Y обмоток. Таким образом, фасонные опорные элементы 60, 61, 62, 63 действуют как экран и предотвращают выход нежелательного магнитного поля рассеяния в окружающую среду, особенно в рельсовое транспортное средство или в рельсы.
Тяговый трансформатор 10 может иметь элементы 70, 71, 72, 73 жесткости для поглощения сил ускорения, действующих в направлении движения рельсового транспортного средства 1. Элементы 70, 71, 72, 73 жесткости прикреплены к верхней части боковых планок 501, 502, как для примера показано на фиг. 2b, или могут быть приварены к боковым планкам 501, 501, как показано на примере элемента 71 жесткости на фиг. 2b. Элементы 70, 71, 72, 73 жесткости расположены перед и после частей сердечника 40 трансформатора, которые проходят в осевом направлении за осевые коны корпуса 20, которые являются ярмами 401, 402.
К опорным элементам 60, 61, 62, 63 могут быть прикреплены и приварены дополнительные элементы жесткости, чтобы поглощать силы ускорения. Эти дополнительные элементы жесткости также расположены перед и после ярем 401, 402 и могут быть привинчены к сердечнику 40 трансформатора, чтобы предотвращать нежелательные движения сердечника 40 трансформатора в направлении Х.
На фиг. 3 показан еще один вариант тягового трансформатора 11 для вертикальной установки на рельсовом транспортном средстве, который подходит, например, для установки в машинном отделении транспортного средства.
Сердечник 40 трансформатора прикреплен к крепежному средству 50, которое также выполнена как монтажная рама. В отличие от варианта, показанного на фиг. 2а-2d, трансформатор 11 и крепежное средство 50 повернуты на 90° в стоячее положение. Другими словами, плоскость, определенная направлениями X-Y, проходит по существу перпендикулярно полу рельсового транспортного средства и, следовательно, ось обмоток ориентирована вертикально. Боковые планки 501, 502 приварены к двум двутавровым балкам, которые проходят поперечно между боковыми планками 501, 502 и вместе с ними образуют раму.
Цилиндрический внешний корпус 203 имеет сечение в форме восьмерки, что придает повышенную механическую стабильность кожуху 20 по сравнению с корпусом в форме обычного цилиндра. Поэтому в качестве материала для цилиндрического внешнего корпуса 203 можно применять более легкий материал, например, алюминий вместо стали. Цилиндрический внешний корпус 203 можно изготовить из алюминия, который дополнительно имеет хорошую теплопроводность и улучшает рассеяние теплоты от трансформатора 11 в окружающую среду. Можно также использовать электроизоляционный легкий материал, например, композит на основе эпоксидной смолы, если рассеяние теплоты цилиндрическим внешним корпусом 203 не имеет большого значения для конструкции тягового трансформатора 11.
Тяговый трансформатор 11 имеет две ножки, приваренные к концам боковых планок 501, 502 на одном осевом конце кожуха 2- для установки трансформатора в вертикальном положении на рельсовом транспортном средстве 1.
Перечень позиций
1 - рельсовое транспортное средство
10, 11=тяговый трансформатор
20 - кожух
30, 31 - обмотки
40 - сердечник трансформатора
50 - крепежное средство
60, 61, 62, 63 - опорные элементы
70, 71, 72, 73 - элементы жесткости
201, 202 - цилиндрический внутренний корпус
203 - цилиндрический внешний корпус
205 - изолирующая жидкость
206, 207 - первая и вторая крышки
208, 209 - отверстия в первой и второй крышках
401, 402 - ярма трансформатора
403, 404 - стержни трансформатора
501, 502 - боковые планки
600 - регулировочный винт
Х - осевое направление ярма, направление боковых планок
Y - осевое направление обмоток и цилиндрических внутренних корпусов.