ТРАНСФОРМАТОР
TRANSFORMER

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электромагнитных трансформаторах.
Известны обмотки мощных трансформаторов, выполненные из транспонированных проводов [И.Б.Пешков, Ю.Н.Худов. Производство транспонированных проводов для обмоток мощных трансформаторов. «Кабельная техника», вып.7, 1973], [R.Hegde, F.Hofman, G.Prasad. Use of continuously transposed cables (CTC) in transformers. IEEMA Journal, July 2007], [A.H Панибратец, А.И.Федотов. Перспективные требования к обмоточным проводам для трансформаторов и реакторов. «Кабели и провода», №7, 2008], [D.V.Narke, S.D.Palival, R.K.Talwar. Application of CTC in transformer industry. ICC proceeding seminar paper, 1972]. Скин-эффект, т.е. склонность тока вытесняться на наружный или внутренний слой однопроводного витка обмотки, существенный при больших сечениях сплошных проводов и при высокой частоте тока, увеличивает омическое сопротивление витка. Для снижения этого эффекта провод витков изготавливается из множества параллельных, изолированных между собой медных или алюминиевых проводников, имеющих форму ленты или круглое или прямоугольное сечение, причем взаимное внутреннее и внешнее расположение проводников в проводе чередуется с небольшим шагом вдоль длины провода. Однако применение подобных проводов при изготовлении вторичных обмоток трансформаторов с ферромагнитными стержнями-обмотками образует множество немагнитных зазоров, что существенно увеличит магнитное сопротивление сердечника. Кроме этого, если провод вторичной обмотки выполнен из изолированных друг от друга параллельно включенных проводников, то при работе трансформатора одинаковая ЭДС наводится в каждом таком проводнике. Эффект исключает вытеснение тока обмотки во внешние проводники провода, т.е. влияние скин-эффекта. Поэтому, с целью снижения эффективной длины провода и его сопротивления, такой провод вторичной обмотки целесообразно выполнять без транспонирования.
сл
пр2
ж
пр2
ж
Наиболее близким техническим решением является компактный трансформатор MTS/MTC/MTM [Вафин А.И., Казаков В.В., Казаков О.В., Немцев Г.А. Новые классические трансформаторы с оптимизированной блочной конструкцией. Описание и теоретическое обоснование. Ж-л «Энергетика Татарстана», №4, 2008 г., с.25], [Казаков В.В., Немцев Г.А. трансформатор. Патент RU 2320045 С1, МПК H01F 30/06, H01F 27/28], содержащий: сердечник, образованный вертикальными стержнями, верхние торцы которых магнитно соединены через верхнее ярмо, а нижние - через нижнее ярмо; первичные обмотки, охватывающие стержни; причем стержни навиты в виде рулонов из эмалированной ленты ферромагнитного материала с высокой электропроводностью, например из электролитического железа с чистотой 99,998%, и совмещают функцию вторичных обмоток или их части; торцы стержней электрически изолированы от ярем. Для увеличения тока нагрузки и существенного снижения вихревых токов сердечника лента изготавливается из большого количества одинаковых тонких слоев ферромагнитного металла с высокой электропроводимостью, электрически изолированных друг от друга тонкой изоляцией, причем эти слои параллельно соединены вместе на концах ленты и образуют выводы вторичной обмотки. Благодаря этому, несмотря на высокую относительную магнитную проницаемость µ>140000 материала, устраняется влияние скин-эффекта. Утончение слоев такой многослойной ленты увеличивает эффект отрицательной магнитной резистивности, что снижает сопротивление таких обмоток более чем на 20%. Однако параллельно соединенные слои ленты образуют контур, охватывающий часть сечения сердечника, расположенную между этими слоями. Поэтому между этими концами установится разность ЭДС, равная ΔU=ω·B·(l·d), где ω - циклическая частота тока в обмотках, В - индукция магнитного поля в сердечнике, l - длина ленты, d - толщина слоя, причем, благодаря охваченности сечения стержня общими витками, значение В распределено равномерно по сечению стержня. Для компенсации разности ЭДС слоев в ленте внутренние витки обмотки навиваются только нижним слоем ленты, последующие витки - с поочередным добавлением следующих слоев. Такой метод компенсации требует точного расчета количества отличающихся внутреннего и последующих витков, т.к. погрешность компенсации разности межслоевой ЭДС приводит к увеличению потерь во вторичной обмотке. Также усложняется конструкция выводов вторичной обмотки, что снижает их надежность.
Задачей изобретения является увеличение КПД, упрощение конструкции и повышение надежности трансформатора MTS/MTC/MTM.
Технический результат достигается тем, что в трансформатор, содержащий первичные обмотки, стержни-обмотки, верхнее и нижнее ярма, электрически изолированные и магнитно соединяющие верхние и нижние торцы стержней-обмоток, выводы которых соединены с выходами трансформатора, при этом стержни-обмотки выполнены в виде рулонов из многослойной ленты ферромагнетика с высокой электропроводимостью, слои которой электрически изолированы друг от друга, дополнительно введены инверторы слоев, расположенные между средними витками стержней-обмоток, а каждая лента стержня-обмотки состоит из двух отрезков одинаковой длины, последовательно включенных через инвертор слоев, при этом внутренние по отношению к рулону концы слоев первого отрезка ленты соединены вместе и образуют первый вывод стержня-обмотки, другие концы слоев этого отрезка подключены к входам инвертора слоев, к выходам которого подключены концы слоев второго отрезка ленты, внешние по отношению к рулону концы слоев которой соединены вместе и образуют второй вывод стержня-обмотки.
Инвертор слоев может быть выполнен:
1) в виде прямоугольной стопки изолированных друг от друга отрезков одинаковой ширины из материала с высокой электропроводимостью, длина которых укорачивается одинаково с обоих концов по мере увеличения толщины стопки, согнутой по ее диагонали на 180°, причем полученные благодаря этому поверхности уступов с одной стороны боковой поверхности инвертора слоев являются его входами, а поверхности уступов с противоположной стороны - его выходами;
2) в виде прямоугольных изолированных друг от друга коаксиальных тонкостенных трубок из материала с высокой электропроводимостью, количество которых равно количеству слоев в ленте, длина каждой трубки укорочена одинаково с обоих ее концов по сравнению с длиной расположенной рядом внутренней трубки, причем полученные благодаря этому поверхности уступов с одной стороны боковой поверхности инвертора слоев являются его входами, а поверхности уступов с противоположной стороны - его выходами.
На фиг.1. представлен фрагмент трансформатора в разрезе.
На фиг.2 изображен эскиз инвертора слоев в виде прямоугольной стопки изолированных друг от друга отрезков одинаковой ширины.
На фиг.3 показан изгиб любого из этих отрезков.
На фиг.4 показана электрическая схема соединения инвертора с промежуточными выводами отрезков ленты стержня-обмотки.
На фиг.5 представлен эскиз инвертора слоев в виде прямоугольных изолированных друг от друга коаксиальных тонкостенных трубок.
На фиг.6 показана электрическая схема соединений трубчатого инвертора слоев стержней-обмоток.
Трансформатор содержит:
1 - первичные обмотки;
2 - стержни-обмотки;
3 - верхнее и нижнее ярма;
4 - инверторы слоев стержней-обмоток.
Первичные обмотки 1 охватывают стержни-обмотки 2. Верхнее и нижнее ярма 3 электрически изолированы и магнитно соединяют верхние и нижние торцы стержней-обмоток 2. Выводы стержней-обмоток 2 соединены с выходами трансформатора. Стержни-обмотки 2 содержат инверторы 4, расположенные между средними витками стержней-обмоток. Стержни-обмотки 2 выполнены в виде рулонов из многослойной ленты ферромагнетика с высокой электропроводимостью, слои которой электрически изолированы друг от друга. Каждая лента стержня-обмотки 2 состоит из двух отрезков одинаковой длины, включенных последовательно через инвертор 4 слоев, т.е. инвертор 4 соединяет последовательно отрезки равной длины многослойной ленты ферромагнетика. Внутренние по отношению к рулону концы слоев первого отрезка ленты соединены вместе и образуют первый вывод стержня-обмотки 2. Другие концы слоев этого отрезка ленты подключены к входам инвертора 4 слоев. Концы слоев второго отрезка ленты стержня-обмотки 2 подключены к выходам инвертора 4 слоев. Внешние по отношению к рулону концы слоев второго отрезка ленты соединены вместе и образуют второй вывод стержня-обмотки 2.
Инвертор 4 слоев может быть выполнен в виде прямоугольной стопки изолированных друг от друга отрезков одинаковой ширины из материала с высокой электропроводимостью (фиг.2). Номера слоев инвертора 4 обозначены I, II, III, …, n. Длина отрезков одинаковой ширины укорачивается одинаково с обоих концов по мере увеличения толщины стопки. Прямоугольная стопка изолированных друг от друга отрезков одинаковой ширины согнута по ее диагонали на 180°. Полученные благодаря этому поверхности уступов с одной стороны боковой поверхности инвертора 4 слоев являются его входами, а поверхности уступов с противоположной стороны - его выходами (фиг.2, фиг.4).
Инвертор 4 слоев может быть выполнен и в виде трубчатого инвертора - набора изолированных друг от друга коаксиальных тонкостенных трубок прямоугольного сечения из материала с высокой электропроводимостью (фиг.5). Количество трубок равно количеству слоев в ленте стержня-обмотки 2. Длина каждой трубки укорочена одинаково с обоих ее концов по сравнению с длиной расположенной рядом внутренней трубки. Полученные благодаря этому поверхности уступов с одной стороны боковой поверхности инвертора 4 слоев являются его входами, а поверхности уступов с противоположной стороны - его выходами (фиг.5, фиг.6).
Трансформатор работает следующим образом.
1
1
раб
1
1
1
1
1
c
2
2
U
2
U
внеш
внутр
внеш
внутр
внеш
внутр
сл
пр2
ж
пр2
ж
При подключении переменного напряжения U сети с циклической частотой ω к выводам первичной обмотки 1 трансформатора с количеством витков N, в замкнутой магнитной цепи, содержащей стержни-обмотки 2 и ярма 3, наводится магнитный поток Ф=U/(ωN), пропорциональный ампер-виткам I=i·N первичной обмотки, равномерный по горизонтальному сечению S стержня 2 и наводящий во вторичной обмотке 2 с количеством витков N напряжение U=kωNФ, где k=(D+2D)/(3D+3D), D и D - внешний и внутренний диаметры стержня 2. Так как лента стержня-обмотки 2 разделена на два одинаковых по длине отрезка, то между концами соседних слоев каждого отрезка ленты наводится одинаковая разность ЭДС, равная ΔU=ω·B·[(l/2)·d], где ω - циклическая частота тока в обмотках; В - индукция магнитного поля в сердечнике; l - длина ленты; d - толщина слоя железа. Благодаря перестановке расположения соседних слоев, включенных последовательно через инвертор 4 слоев, разности ЭДС слоев обоих отрезков направлены встречно и их сумма равна нулю.
Таким образом, однократное инвертирование расположения слоев в середине ленты с помощью простого набора пластин (фиг.2) или трубок (фиг.5) существенно упрощает конструкцию трансформатора, обеспечивая точность компенсации разности ЭДС между слоями, т.е. увеличивает КПД трансформатора и его надежность.
26°C
mах
с
и
ж
Трансформатор может быть изготовлен из тех же материалов, из которых изготовлен прототип. Например, стержни обмотки 2 и ярма 3 могут быть навиты эмалированными полиимидом калиброванными лентами из 99,998-99,999% электролитического железа, изготовленного электрически-магнитным рафинированием на Кыштымском медеэлектролитном заводе или на Industrial metal powders (India) pvt. ltd. и имеющего следующие характеристики: удельное сопротивление ρ=0,0947 мкОм·м; относительная магнитная проницаемость µ=100000…120000; индукция насыщения В=2,66-2,70 Т; коэрцитивная сила Н<0,2 А/м; погрешность калибровки по ширине - не более ±0,25 мкм; толщина полиимидной 4-сторонней изоляции d=3 мкм, толщина металла одного слоя ленты d=50 мкм. Инвертор слоев может быть изготовлен из медной фольги толщиной 35 мкм и конденсаторной бумаги толщиной 10 мкм и для закрепления слоев может быть пропитан полиимидной смолой. Соединение выводов инвертора с концами слоев ленты осуществляется пайкой и использованием пасты с пудрой припоя - при изготовлении маломощных трансформаторов, или сваркой низкотемпературной струей высокого давления пара меди или алюминия, например, с использованием устройства ДИАМЕТ, производимого «Обнинским центром порошкового напыления».
Трансформатор может иметь все конструкции, присущие прототипу, и может заменять все виды измерительных и силовых трансформаторов.