Аксиальный многофазный стабилизируемый трансформатор-фазорегулятор
AXIAL MULTIPHASE STABILIZED TRANSFORMER-PHASE REGULATOR

Изобретение относится к электротехнике, в частности к многофазным трансформаторам и фазорегуляторам, и может быть использовано, например, в лабораторных условиях для поверки электросчетчиков, в радиотехнических устройствах и т.д.
Известна конструкция фазорегулятора (Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины: Учебник для вузов.- М.: Энергия, 1980. - 928 е., ил.), представляющего собой асинхронную машину цилиндрического исполнения с фазным заторможенным ротором. Такой фазорегулятор содержит статор и ротор с соответствующими трехфазными обмотками, корпус, подшипниковые щиты и самотормозящуюся червячную передачу, позволяющую оператору вращать ротор относительно неподвижного статора на необходимый угол с целью изменения фазы выходного напряжения. При этом за первичную обмотку обычно принимается обмотка статора, за вторичную - обмотка ротора. При поворачивании ротора фаза выходного напряжения плавно изменяется в пределах 0-2π при постоянной величине этого напряжения.
Однако конструкция такого фазорегулятора сложна из-за необходимости штамповки листов магнитопроводов статора и ротора. Кроме того, стоимость такого фазорегулятора велика из-за большого расхода электротехнической стали, связанного с высоким процентом ее отходов при штамповке. Более того, конструкция такого фазорегулятора не позволяет получить многофазное выходное напряжение.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является многофазный трансформатор-фазорегулятор (пат. РФ №2139586, авторы Гайтов Б.Х., Кашин Я.М., Сингаевский Н.А., Жуков Ф.И., Исик С.Н.) содержащий два тороидальных магнитопровода с пазами, в которые уложены первичная трехфазная и вторичная многофазная обмотки, при этом тороидальный магнитопровод со вторичной многофазной обмоткой выполнен подвижным относительно неподвижного тороидального магнитопровода с первичной трехфазной обмоткой, для чего установлена самотормозящаяся червячная передача, жестко связанная с подвижным тороидальным магнитопроводом, а между тороидальными магнитопроводами имеется воздушный зазор, необходимый для их взаимного перемещения.
Каждый из тороидальных магнитопроводов известного из пат. РФ №2139586 трансформатора-фазрегулятора выполнен с одной активной торцовой поверхностью с пазами, в которую уложена соответствующая обмотка. Магнитный поток, создаваемый током, протекающим в этой обмотке, направлен по оси симметрии тороидального магнитопровода. В последние годы наметилась тенденция называть вновь появляющиеся типы электрических машин по признакам, которые описывают направление магнитного поля в них относительно направления оси вращения или движения ротора (магнитопроводов) (Электрические машины с поперечным и аксиальным магнитным полем. Наний В.В., Палис Ф., Масленников A.M., Дунев А.А., Егоров А.В., Юхимчук В.Д. Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», г. Харьков, Магдебургский университет им. Отто-фон-Герике, г. Магдебург, Германия). Поэтому магнитопроводы такой конструкции с таким расположением обмоток называют аксиальными (например, Аксиальный многофазный трансформатор-фазорегулятор, пат. РФ №29624, авторы Гайтов Б.Х., Кашин Я.М. и др.
Самотормозящаяся червячная передача известного из пат. РФ №2139586 трансформатора-фазорегулятора состоит из червяка и винтового колеса с валом, закрепленным в подшипниковых узлах.
Существенным недостатком такого многофазного трансформатора-фазорегулятора является невозможность обеспечения регулирования величины выходного напряжения при изменении нагрузки, а также наличие большого количества щеточных скользящих контактов (в представленном примере - девять), связанного с тем, что вторичная многофазная обмотка уложена в пазы подвижного магнитопровода. Это снижает надежность контактного соединения. Кроме того, для стабилизации выходного напряжения такого многофазного трансформатора-фазорегулятора требуется установка на выходе последовательно с трансформатором-фазорегулятором дополнительного регулятора напряжения, через который в нагрузку передается вся мощность трансформатора-фазорегулятора. Дополнительный регулятор напряжения, установленный на выходе трансформатора-фазорегулятора, представляет собой устройство, соизмеримое по мощности и габаритам самого трансформатора-фазорегулятора. Что приводит к увеличению массы и габаритов почти в два раза.
Задачей предлагаемого изобретения является усовершенствование трансформатора-фазорегулятора, позволяющее обеспечить расширение области его применения и повысить надежность его работы.
Технический результат заявленного изобретения - стабилизация выходного напряжения трансформатора-фазорегулятора по величине, повышение надежности контактного соединения.
Технический результат достигается тем, что в аксиальном многофазном стабилизируемом трансформаторе-фазорегуляторе, содержащем корпус, два аксиальных магнитопровода с пазами, в которые уложены первичная трехфазная и вторичная многофазная обмотки, самотормозящуюся червячную передачу, состоящую из червяка и винтового колеса с валом, закрепленным в подшипниковых узлах, в верхней части корпуса дополнительно устанавливается корректор напряжения, вход которого подключается на линейное напряжение любых двух фаз вторичной многофазной обмотки, при этом аксиальный магнитопровод с вторичной многофазной обмоткой жестко закрепляется в нижней части корпуса, а между его верхней активной торцовой поверхностью и аксиальным магнитопроводом с первичной трехфазной обмоткой установлен жестко закрепленный в корпусе посредством первого диска магнитный шунт, в пазы которого укладывается тороидальная обмотка подмагничивания, подключенная к выходу корректора напряжения, при этом аксиальный магнитопровод с первичной трехфазной обмоткой жестко закрепляется на валу винтового колеса червячной передачи посредством второго диска и выполняется с возможностью поворота относительно неподвижного аксиального магнитопровода с вторичной многофазной обмоткой и магнитного шунта вокруг их общей оси симметрии, между магнитным шунтом и аксиальным магнитопроводом с первичной трехфазной обмоткой имеется воздушный зазор, а первичная трехфазная обмотка выполняется с возможностью подключения к первичной сети посредством щеточных скользящих контактов.
Расширение области применения трансформатора-фазорегулятора достигается путем стабилизации его выходного напряжения по величине за счет установки в верхней части корпуса трансформатора-фазорегулятора корректора напряжения, вход которого подключается на линейное напряжение любых двух фаз вторичной многофазной обмотки, а также жестким закреплением в корпусе посредством первого диска между верхней активной торцовой поверхностью аксиального магнитопровода с вторичной многофазной обмоткой и аксиальным магнитопроводом с первичной трехфазной обмоткой магнитного шунта, в пазы которого укладывается тороидальная обмотка подмагничивания, подключенная к выходу корректора напряжения.
Отклонение выходного напряжения от заданного измеряется установленным в верхней части корпуса корректором напряжения, вход которого подключен на линейное напряжение любых двух фаз вторичной многофазной обмотки. Корректор напряжения увеличивает величину тока подмагничивания в тороидальной обмотке подмагничивания магнитного шунта. Подмагничивание магнитного шунта приводит к уменьшению магнитной проницаемости его стали и увеличению его магнитного сопротивления. В результате чего величина магнитного потока, проходящего через магнитный шунт уменьшается, а величина магнитного потока, проходящего через неподвижный аксиальный магнитопровод и пронизывающего витки вторичной многофазной обмотки, увеличивается. Вследствие этого величина ЭДС, наводимых в фазах вторичной многофазной обмотки увеличивается, и величина напряжения на выходе предлагаемого трансформатора-фазорегулятора достигает стабилизируемого уровня.
Повышение надежности работы трансформатора-фазорегулятора достигается путем повышения надежности контактного соединения за счет того, что между магнитным шунтом и аксиальным магнитопроводом с первичной трехфазной обмоткой имеется воздушный зазор, аксиальный магнитопровод с первичной трехфазной обмоткой жестко закрепляется на валу винтового колеса червячной передачи посредством второго диска и выполняется с возможностью поворота относительно неподвижного аксиального магнитопровода с вторичной многофазной обмоткой и магнитного шунта вокруг их общей оси симметрии, а первичная трехфазная обмотка выполняется с возможностью подключения к первичной сети посредством щеточных скользящих контактов.
п
Выполнение аксиального магнитопровода с первичной трехфазной обмоткой с возможностью поворота относительно неподвижного аксиального магнитопровода с вторичной многофазной обмоткой и магнитного шунта вокруг их общей оси симметрии и выполнение первичной трехфазной обмотки с возможностью подключения к первичной сети посредством щеточных скользящих контактов позволяет уменьшить количество скользящих контактов по сравнению с соответствующим количеством их в прототипе, а, следовательно, повысить вероятность безотказной работы контактного соединения, так как вероятность безотказной работы группы однотипных элементов (в данном случае - контактов) равна Р, где Р - вероятность безотказной работы одного элемента (скользящего контакта), n - количество элементов (скользящих контактов).
1
2
3
На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого аксиального многофазного стабилизируемого трансформатора-фазорегулятора в разрезе, на фиг. 2 - схема соединения его обмоток, на фиг. 3 - векторная диаграмма для одной фазы, на фиг. 4 - средние линии магнитного потока Ф в аксиальном магнитопроводе с первичной трехфазной обмоткой, средние линии магнитного потока Ф в аксиальном магнитопроводе с вторичной многофазной обмоткой и средние линии магнитного потока Ф в магнитном шунте, на фиг. 5 - соотношение размеров ярма неподвижного аксиального магнитопровода и размера ярма магнитного шунта.
Аксиальный многофазный стабилизируемый трансформатор-фазорегулятор содержит (фиг. 1): корпус 9, два аксиальных магнитопровода 3 и 6 с пазами, в которые уложены первичная трехфазная 4 и вторичная многофазная 5 обмотки, самотормозящуюся червячную передачу, состоящую из червяка 2 и винтового колеса 1 с валом 10, закрепленным в подшипниковых узлах 11 и 17.
В верхней части корпуса 9 установлен корректор напряжения 15, вход которого подключен на линейное напряжение любых двух фаз вторичной многофазной обмотки 5. Аксиальный магнитопровод 6 с вторичной многофазной обмоткой 5 жестко закреплен в нижней части корпуса 9, а между его верхней активной торцовой поверхностью и аксиальным магнитопрводом 3 с первичной трехфазной обмоткой 4 установлен жестко закрепленный в корпусе 9 посредством первого диска 13 магнитный шунт 7, в пазы которого уложена тороидальная обмотка подмагничивания 8, подключенная к выходу корректора напряжения 15 (фиг. 2).
Аксиальный магнитопровод 3 с первичной трехфазной обмоткой 4 жестко закреплен на валу 10 винтового колеса 1 червячной передачи посредством второго диска 16 и выполнен с возможностью поворота относительно неподвижного аксиального магнитопровода 6 с вторичной многофазной обмоткой 5 и магнитного шунта 7 вокруг их общей оси симметрии. Между магнитным шунтом 7 и аксиальным магнитопроводом 3 с первичной трехфазной обмоткой 4 имеется воздушный зазор 14. Первичная трехфазная обмотка 4 выполнена с возможностью подключения к первичной питающей сети посредством щеточных скользящих контактов 12 (фиг. 1, 2).
1
3
1
2
1
1
2
3
Аксиальный многофазный стабилизируемый трансформатор-фазорегулятор работает следующим образом. При подключении первичной трехфазной обмотки 4, уложенной в пазы аксиального магнитопровода 3, жестко закрепленного на валу 10 винтового колеса 1 червячной передачи посредством второго диска 16 и выполненного с возможностью поворота относительно неподвижного аксиального магнитопровода 6 с вторичной многофазной обмоткой 5, через щеточные скользящие контакты 12 к первичной питающей сети напряжением U в воздушном зазоре 14 аксиального многофазного стабилизируемого трансформатора-фазорегулятора создается вращающееся магнитное поле. При этом одна часть (Ф) магнитного потока Ф создаваемого первичной трехфазной обмоткой 4, замыкается через магнитный шунт 7 с тороидальной обмоткой подмагничивания 8, жестко закрепленный в корпусе 9 посредством первого диска 13, а другая часть (Ф) магнитного потока Ф замыкается через аксиальный магнитопровод 6 с вторичной многофазной обмоткой 5. То есть Ф=Ф+Ф (фиг. 4).
2
2
2
2
2
2
1
2
2
2
Магнитный поток Ф, пронизывая витки вторичной многофазной обмотки 5, уложенной в пазы неподвижного аксиального магнитопровода 6, наводит в ней систему многофазных ЭДС Е (фиг. 3). Фаза ЭДС Е во вторичной многофазной обмотке 5, уложенной в пазы неподвижного аксиального магнитопровода 6, зависит от первоначального взаимного расположения осей вторичной многофазной 5 и первичной трехфазной 4 обмоток, уложенных соответственно в пазы неподвижного аксиального магнитопровода 6 и поворотного аксиального магнитопровода 3. При повороте рукоятки (на фиг.1 она не показана, как не имеющая отношения к существу изобретения), жестко связанной с червяком 2, винтовое колесо 1 с валом 10 червячной передачи, закрепленным в подшипниковых узлах 11 и 17, поворачивает поворотный аксиальный магнитопровод 3 с первичной трехфазной обмоткой 4 относительно неподвижного аксиального магнитопровода 6 с вторичной многофазной обмоткой 5 вокруг их общей оси симметрии на определенный угол. Это приводит к соответствующему повороту вектора ЭДС Е (фиг. 3). На фиг. 3 стрелками показаны возможные направления перемещения вектора ЭДС Е, а следовательно и вектора напряжения U на выходе вторичной многофазной обмотки 5 (при подключении нагрузки) относительно вектора напряжения U подаваемого на первичную трехфазную обмотку 4 из питающей сети, при постоянной величине ЭДС Е т.е. к изменению фазы ЭДС Е, а, значит, и вектора напряжения U.
2
При подключении к вторичной многофазной обмотке 5 нагрузки (активной, индуктивной или индуктивно-активной) величина напряжения U на выходе вторичной многофазной обмотки 5 уменьшается из-за размагничивающего действия тока, протекающего по фазам вторичной многофазной обмотки 5.
2
3
2
2
Корректор напряжения 15, установленный в верхней части корпуса 9, вход которого подключен на линейное напряжение любых двух фаз вторичной многофазной обмотки 5, в соответствии с величиной отклонения напряжения U на выходе вторичной многофазной обмотки 5 от заданного увеличивает величину тока подмагничивания в тороидальной обмотке подмагничивания 8 магнитного шунта 7. Подмагничивание магнитного шунта 7 приводит к уменьшению магнитной проницаемости его стали и увеличению его магнитного сопротивления. В результате этого величина магнитного потока Ф, проходящего через магнитный шунт 7 уменьшается, а величина магнитного потока Ф, проходящего через неподвижный аксиальный магнитопровод 6 и пронизывающего витки вторичной многофазной обмотки 5, увеличивается (фиг. 4). Вследствие этого величина ЭДС, наводимых в фазах вторичной многофазной обмотки 5 увеличивается, и величина напряжения на выходе предлагаемого аксиального многофазного трансформатора-фазорегулятора U достигает стабилизируемого уровня.
3
2
На холостом ходу трансформатора-фазорегулятора ток в обмотке подмагничивания 8 магнитного шунта 7 отсутствует, и магнитный поток Ф в магнитном шунте 7 достигает максимального значения, а в аксиальном магнитопроводе 6 магнитный поток Ф принимает минимальное значение.
3
2
При максимальной нагрузке трансформатора-фазорегулятора магнитный поток Ф из магнитного шунта 7 вследствие большого магнитного сопротивления, обусловленного насыщением при подмагничивании, вытесняется до минимального значения, а в неподвижном аксиальном магнитопроводе 6 магнитный поток Ф достигает максимального значения.
п
Диапазон регулирования магнитного потока d определяется по формуле (фиг. 5):
п
2
2
3
где d - диапазон регулирования магнитного потока Ф в неподвижном аксиальном магнитопроводе, h - высота ярма неподвижного аксиального магнитопровода 6, h - высота ярма магнитного шунта 7.
1
Кроме того, на фиг. 5 обозначено: h - высота ярма аксиального магнитопровода 3.