ТРАНСФОРМАТОР ДЛЯ ИНДУКЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
TRANSFORMER FOR INDUCTION ELECTROTHERMIC PLANTS

Изобретение относится к области электротехники, в частности к трансформаторам с дисковыми обмотками, и может быть применено в электротермических установках для индукционного нагрева повышенной частоты.
Определяющими характеристиками трансформаторов для установок индукционного нагрева являются КПД, габариты и масса, способность к длительной безотказной работе. Мощность трансформаторов, работающих на повышенной частоте, во многом определяется эффективностью отвода тепла, выделяющегося в процессе работы. В таких трансформаторах, вследствие выделения больших тепловых мощностей, как правило, применяется принудительное водяное охлаждение.
Известен трансформатор с переменным коэффициентом трансформации, выполненный из секций с дисковыми обмотками (изобретение по SU №322795, Н01F 27/30, от 30.11.1971, использованное в Т 37-800 УХЛ 4, ТУ-16-90, ИЕВ 672312.006 ТУ, АООТ «ВЧЭО Плазма»). В этом трансформаторе первичная обмотка покрыта жаропрочной изоляцией и залита электропроводным материалом - алюминием, образующим вторичную обмотку. Обмотки трансформатора охлаждаются водой, причем вторичная охлаждается водой, протекающей в трубке, размещенной в ее теле. Недостатками такого трансформатора являются:
- невысокий КПД, обусловленный изготовлением вторичной обмотки из алюминия, имеющего удельное электрическое сопротивление в 1,6 раза выше сопротивления меди;
- неэффективное охлаждение контактных поверхностей вторичной обмотки, приводящее к их оплавлению (температура плавления алюминия 659°С), в случае повышения сопротивления контактного перехода, в условиях заводской эксплуатации;
- повышенная индуктивность рассеяния, вызванная применением жаропрочной изоляции, увеличивающей зазоры между первичной и вторичной обмотками;
- снижение свойств электроизоляции первичной обмотки при воздействии на нее расплавом алюминия, на стадии изготовления секции обмотки.
Известен трансформатор, в котором частично отсутствуют перечисленные недостатки (Л.Л. Тир. Трансформаторы для установок индукционного нагрева повышенной частоты. - М. - Л.: Госэнергоиздат, 1961, с.103; с.169-170, рис.6-10; прототип). Трансформатор включает многовитковую первичную обмотку в виде плоских спиралей и дисковую вторичную обмотку. Концы спиралей первичной обмотки соединены с выводными колодками, при этом внутренний конец каждой спирали выведен радиально по ее поверхности.
Вторичная обмотка выполнена из полых дисков, каждый из которых имеет осесимметричные окно для прохождения магнитопровода и разрез, а также промежуточные выводные пластины, служащие для подсоединения дисков к выводным плитам (колодкам) вторичной обмотки, например с помощью пайки. К выводным колодкам вторичной обмотки присоединяется нагрузка - индуктор.
Охлаждение вторичной обмотки осуществляется пропусканием воды через полости дисков. Полости дисков разделены перегородкой на два последовательно соединенных канала. Ввод и вывод воды осуществляется с помощью втулок, соединяющих выдавленные в соседних дисках горловины (с.170, рис.6-10). Выполнение вторичной обмотки в форме полых дисков обеспечивает их активное охлаждение, а совмещение в одном узле функций передачи тока и воды снижает вес и габариты. Плоские поверхности полых дисков позволяют сократить зазоры между первичной и вторичной обмотками трансформатора.
Для охлаждения выводных колодок вторичной обмотки предусмотрена отдельная ветвь системы охлаждения.
Недостатком конструкции трансформаторов с дисковыми обмотками является то, что участок прохождения тока по выводным частям дисков и выводным колодкам к месту соединения с шинами индуктора (нагрузки) является зоной повышенного тепловыделения. Поэтому при одинаковом уровне теплосъема со всех токоведущих частей трансформатора температура в этой зоне является максимальной. По достижении определенной мощности температура нагрева этого участка становится фактором, ограничивающим дальнейшее повышение мощности, отдаваемой трансформатором.
Также недостатком конструкции вторичной обмотки такого трансформатора является применение промежуточных звеньев в виде выводных пластин для соединения выводных частей дисков вторичной обмотки с выводными колодками. Охлаждение выводных пластин осуществляется косвенным путем - путем теплопередачи в тело диска и тело выводной колодки, охлаждаемых водой. Учитывая повышенный уровень тепловыделения и пониженный уровень теплоотдачи, температура нагрева выводных пластин становится фактором ограничения мощности трансформатора.
Кроме того, электромагнитное поле тока, протекающего по выводным пластинам, не скомпенсировано полем тока первичной обмотки, что повышает индуктивность этого участка и соответственно индуктивность рассеяния трансформатора. Индуктивность рассеяния трансформатора увеличивает также и вывод внутреннего конца спирали первичной обмотки радиально по ее поверхности. Также недостатком конструкции является сниженная интенсивность охлаждения выводных частей диска, особенно в местах соединения с выводными пластинами вблизи разреза, поскольку боковые поверхности разреза и боковая поверхность диска в этом месте сходятся под углом, что снижает теплоотдачу из этой зоны в охлаждающую воду.
Задача, решаемая заявляемым изобретением - повышение номинальной мощности трансформатора и КПД, снижение массы и габаритов.
Технический результат, достигаемый заявляемой конструкцией, состоит в снижении тепловых потерь и снижении индуктивности рассеяния трансформатора.
Эффект достигается за счет:
- сокращения пути прохождения тока путем исключения промежуточных звеньев в конструкции вторичной обмотки на участке от выводных частей дисков до выводных колодок;
- за счет снижения температуры нагрева выводных частей дисков и выводных колодок вследствие повышения эффективности их охлаждения. Кроме этого в конкретном варианте выполнения достигается дополнительный технический эффект, заключающийся в снижении активного сопротивления первичной обмотки и индуктивности рассеяния трансформатора за счет размещения по кратчайшему пути, перемычки, соединяющей внутренние концы соседних спиралей первичной обмотки в плоскости, перпендикулярной плоскостям дисков.
Указанный эффект достигается за счет того, что в известном трансформаторе для индукционных электротермических установок, включающем водоохлаждаемые обмотки - первичную многовитковую в виде плоской спирали и вторичную одновитковую, образованную расположенными параллельно полыми дисками, каждый из которых имеет осесимметричные окно и разрез, при этом участки боковых стенок дисков, примыкающие к разрезам по одну сторону оси симметрии, соединены с водоохлаждаемой выводной колодкой, в отличие от известного выводная колодка имеет, по крайней мере, одну полость, с которой непосредственно сообщаются полости каждого диска на примыкающем к разрезу диска участке площадью, меньшей площади поперечного сечения полости диска.
Наибольший эффект достигается при соотношении площадей участка, примыкающего к разрезу диска, на котором полость диска вторичной обмотки непосредственно сообщается с полостью выводной колодки (проходного отверстия) и поперечного сечения полости диска как 1:(3÷4).
Кроме того, внутренние концы соседних спиралей первичной обмотки могут быть соединены с помощью перемычки, проходящей через осесимметричное расширение разреза диска вторичной обмотки со стороны окна, находящегося между этими спиралями.
Отличием заявляемого решения является новая форма выполнения элементов конструкции и их взаимосвязей.
Предлагаемое решение является новым, так как в настоящее время не известно аналогичное решение, характеризуемое приведенной совокупностью признаков.
Сущность заявляемого изобретения раскрывается с помощью фиг.1, 2, 3, где представлены:
фиг.1 - общий вид трансформатора;
фиг.2 - поперечный разрез одной секции трансформатора без магнитопровода;
фиг.3 - диск вторичной обмотки (а) и диск вторичной обмотки в сборе с первичной обмоткой (б); для наглядности первичная обмотка смещена вертикально вверх и перемычка, соединяющая секции первичной обмотки, выведена из расширения разреза диска. На фигурах:
1 - магнитопровод,
2 - первичная обмотка,
3 - дисковая вторичная обмотка,
4, 5 - плоские спирали первичной обмотки,
6 - перемычка,
7, 8 - диски вторичной обмотки прямоугольной конфигурации,
9 - ось симметрии дисков 7, 8,
10 - осесимметричные окна в дисках 7, 8,
11 - осесимметричные разрезы стороны дисков 7, 8,
12 - полости дисков вторичной обмотки,
13 - боковые стенки дисков, примыкающие к разрезам 11,
14 - выводная колодка вторичной обмотки,
15 - полость выводной колодки вторичной обмотки,
16 - участок, на котором сообщаются полости дисков и колодок,
17 - осесимметричное расширение разреза 11,
18 - резьбовая втулка в форме стакана,
19 - фитинг для подачи (слива) воды,
20 - одна секция обмоток трансформатора.
Трансформатор состоит из обмоток первичной 2 и вторичной 3, образующих в сборе секцию 20, и магнитопровода 1.
Первичная обмотка 2 состоит из двух последовательно соединенных перемычкой 6 плоских спиралей 4 и 5. Вторичная обмотка 3 состоит из полых дисков 7 и 8. Диски имеют прямоугольную конфигурацию, симметричные относительно оси 9 окна 10, и разрезы 11 одной из сторон. Разрез 11 диска 8 на конце, прилегающем к окну 10, имеет осесимметричное расширение 17, через которое проходит перемычка 6, соединяющая внутренние концы спиралей 4 и 5 первичной обмотки 2. Расширение 17 имеет форму и размеры, обеспечивающие прохождение перемычки с минимальными зазорами, например, имеет длину не более 1,1 шага намотки спиралей первичной обмотки 2.
Диски 7 и 8 располагаются параллельно друг другу и своими боковыми стенками 13 по сторонам разрезов 11 неразъемно соединены с выводной колодкой 14. Выводная колодка 14 вторичной обмотки 3 в самом простом варианте выполнения имеет форму полого короба, включающего резьбовую втулку 18 в форме стакана, служащую для подсоединения индуктора и фитинги 19 для подачи (слива) воды.
Участки 16, примыкающие к разрезам 11 дисков, посредством которых сообщаются полости дисков и колодок, выполнены в виде проходных отверстий прямоугольной формы для входа (выхода) воды; форма отверстий определяется технологическим фактором изготовления конструкции.
Вода подается через фитинг 19 в полость 15 колодки, далее через участок 16, объединяющий полости колодки 9 с полостями 12 дисков, поток разделяется на три ветви и входит (выходит) в полости 12 дисков. На фиг.1 стрелками показаны направления движения воды в дисках 7, 8. При практически одинаковой конструкции дисков, с точки зрения их гидравлических сопротивлений, следует равенство потоков жидкости, проходящей в дисках, а отсюда равенство условий их охлаждения.
При работе первичная обмотка 2 включается в сеть источника высокочастотной энергии. К выводным колодкам 14 вторичной обмотки 3 с помощью втулок 18 подключается индуктор (нагрузка). Ток, наведенный в дисках 7 и 8 вторичной обмотки 3, распределяется по площади диска неравномерно. На выводных участках дисков 7 и 8, прилежащих к разрезу 11 и месту перехода на выводные колодки 14, линии протекания тока стягиваются к кромкам, где возникает область повышенных тепловых потерь. Пройдя этот выводной участок в дисках 7 и 8, ток переходит, в основном, на обращенные друг к другу торцевые поверхности выводных колодок 14, и далее к местам контакта с шинами индуктора. Соотношение ширины и длины участка прохождения тока по колодкам 14, а также малое расстояние между их торцевыми поверхностями делают малозначимыми активное и индуктивное сопротивления участка, а следовательно, и потери на нем.
В предлагаемой конструкции геометрия объединенных полостей колодок и дисков вторичной обмотки и схема подачи воды таковы, что существенно возрастает эффективность отвода (съема) тепла с тех мест, где плотность тока наибольшая, то есть где наибольшая мощность тепловых потерь. Общая полость охлаждения дисков и колодок образуется вследствие выполнения колодок полыми и непосредственного соединения их полостей с полостями дисков.
Охлаждающая вода последовательно поступает через полость колодки в полости дисков через участки 16 (проходные отверстия), примыкающие к разрезам и имеющие площадь, меньшую площади поперечного сечения полости диска. При этом в областях кромок дисков, т.е. на участках выводных частей с повышенными тепловыми потерями, скорость течения воды увеличивается, усиливая тем самым турбулентный характер ее течения, за счет чего значительно возрастает эффективность отвода тепла (охлаждения).
При соотношении площадей участка 16 (проходного отверстия) и сечения диска как 1:(3÷4) скорость прохождения воды через проходное отверстие резко возрастает, что проявляется на снижении температуры выводных частей дисков относительно температуры остальных частей дисков. Это определенное экспериментально соотношение является предпочтительным при реализации изобретения.
Кроме того, возможность расположения вводов 18 для подсоединения индуктора в потоке охлаждающей жидкости текущей в полостях 15 выводных колодок 14 повышает эффективность их охлаждения. Исключается возможность перегрева узла крепления и места контактного перехода тока на шины индуктора.
Также осесимметричное расширение 17 разреза 11 для прохождения перемычки 6, соединяющей концы соседних спиралей первичной обмотки 4, 5, дает возможность осуществлять соединение соседних первичных спиралей 4, 5 по кратчайшему пути в плоскости, перпендикулярной плоскостям дисков. Локальное расширение 17 разреза 11 в этой области не вносит ощутимого искажения линий протекания тока в силу их сниженной плотности в этой зоне (Тир Л.Л., с.92-99), но позволяет значительно сократить длину провода первичной обмотки, не участвующего в создании основного магнитного потока, а следовательно, снизить активное сопротивление первичной обмотки и сопротивление рассеяния трансформатора.
Таким образом, отличия предлагаемой конструкции, не известные из уровня техники, обеспечивают снижение тепловых потерь и снижение индуктивности рассеяния трансформатора за счет сокращения пути прохождения тока, путем исключения промежуточных звеньев в конструкции вторичной обмотки на участке от выводных частей дисков до выводных колодок. Создание условий эффективного охлаждения выводных частей дисков вторичной обмотки и выводных колодок обеспечивает повышение номинальной мощности трансформатора, а снижение сопротивлений на этом участке повышает его КПД.
Кроме этого предлагаемая конструкция позволяет существенно улучшить массогабаритные характеристики трансформатора и более технологична по сравнению с аналогичными. Благодаря созданию единого проточного канала (объединенной полости) прохождения охлаждающей воды, в котором выводные колодки выполняют функцию распределяющего и собирающего воду коллекторов, сокращается количество подводов от системы охлаждения к узлу вторичной обмотки до минимума - двух - напорного и сливного (фитинги 19).
Возможность объединения дисков вторичной обмотки с выводными колодками в единый неразъемный узел позволяет получить зазоры между дисками вторичной обмотки и плоскими спиралями первичной обмотки до 1-1,5 мм и, следовательно, существенно снизить сопротивление рассеяния трансформатора. При этом при сборке трансформатора выводные колодки используются в качестве базовых опорных узлов, а детали узла вторичной обмотки - в качестве формообразующих при изолировании обмоток заливочным компаундом. Применение листового материала для изготовления выводных колодок и дисков обмотки снижает массогабаритные параметры и затраты на изготовление вторичной обмотки и трансформатора в целом.
Промышленная применимость и использование предлагаемого изобретения очевидны, так как его реализация не требует разработки специальных изделий и технологий. Изобретение реализуется в промышленных условиях из доступных, известных составляющих и по известным технологиям.
Предлагаемый трансформатор работает как обычный трансформатор. Через фитинги 19 обмотки трансформатора подключаются к системе водяного охлаждения. На фиг.1 стрелками показаны направления движения воды во вторичной обмотке. Первичная обмотка 2 подключается к источнику высокочастотной энергии; к выводным колодкам 14 вторичной обмотки 3 с помощью втулок 18 подключается индуктор (нагрузка) для нагрева, например под закалку.
Примером конкретного применения может служить трансформатор, разработанный для установок индукционной закалки на частотах тока 2400, 4000, 10000 Гц для согласования напряжения индуктора с напряжением источника питания. Конструкция соответствует приведенной на фиг.1-3. Трансформатор собран из секций 20 обмоток, объединенных магнитопроводом 1. Каждая секция 20 включает первичную обмотку, состоящую из пяти витков в виде двух плоских, параллельно расположенных спиралей, соединенных последовательно перемычкой. Спираль изготовлена из медной трубки прямоугольным сечением 8×18 мм, через которую пропускается вода.
Обе спирали первичной обмотки расположены между тремя витками вторичной обмотки в форме прямоугольных полых дисков с окнами и разрезами, как показано на фиг.1, 3, установленными параллельно друг другу на выводных полых колодках как на основании. Диски механически неразъемно соединены с колодками. Размеры дисков - 222×227 мм, окон под магнитопровод размером 98×98 мм, ширина разрезов - 2 мм. Средний диск имеет осесимметричный прямоугольный вырез со стороны окна на длину не более 1,1 шага намотки и равную 22 мм. Где шаг намотки спирали 20 мм. Диски выполнены из двух медных листов толщиной 2 мм, соединенных по периметру внешнего и внутреннего контуров, а также на участке разреза сваркой. На участках, прилежащих к разрезу по обеим сторонам, остаются прямоугольные проходные отверстия размерами 3×15 мм.
При изготовлении дисков вторичной обмотки обеспечивается их прочность установкой элетрозаклепок (не показано), плоскостность в пределах ±0.25 мм, а при сварке дисков с колодками их параллельность. Это обеспечивает при сборке секции межобмоточные зазоры порядка 1,5 мм. Зазоры между витками первичной и вторичной обмоток заполнены электроизоляционным компаундом «СУРЭЛ-СЛ-КСТ». В качестве трех стенок формы при заливке компаунда используются внешние диски вторичной обмотки и выводные колодки, что значительно удешевляет и упрощает процесс заливки.
Полые выводные колодки выполнены в виде короба из листовой меди и одновременно служат для электрического параллельного соединения витков (дисков) вторичной обмотки, служат основанием всей сборки обмоток, являются водораспределительными и контактными (подключение нагрузки). Подача воды в колодки осуществляется через фитинги.
В результате в трансформаторе по предлагаемому изобретению получены следующие параметры при частоте тока - 2400 Гц;
- мощность номинальная - 1600 кВА;
- КПД - 92.7% при токе первичной обмотки 1000А и Cos fн=0.3;
- падение напряжения при коротком замыкании - 5.1%;
- масса трансформатора - 90 кг;
- габаритные размеры (длина×ширина×высота) - 400×400×380 мм. Из выпускаемых в настоящее время мощных трансформаторов с дисковыми обмотками для индукционных установок трансформатор Т34-800М1 обладает наиболее высокими техническими характеристиками:
- мощность номинальная - 800 кВА;
-КПД - 85%;
- падение напряжения при коротком замыкании - 12%;
- масса трансформатора - 125 кг;
- габаритные размеры (длина×ширина×высота) - 509×410×347 мм.
Преимущества предлагаемого трансформатора видны из сравнения приведенных данных.
Таким образом, изобретение за счет новой конструкции трансформатора обеспечивает повышение КПД и номинальной мощности трансформатора, снижение массы и габаритов.