ТРАНСФОРМАТОР ДЛЯ ИНДУКЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к трансформаторам с дисковыми обмотками и может быть применена в электротермических установках для индукционного нагрева повышенной частоты и мощности.
Повышение мощности, отдаваемой трансформатором в нагрузку, связано с повышением тепловых потерь, выделяющихся в его обмотках. Поэтому создание трансформатора большой мощности требует решения задачи снижения тепловых потерь в обмотках. Величина тепловых потерь в обмотке пропорциональна величине тока протекающего в обмотке и величине ее активного сопротивления. Одним из способов снижения активного сопротивления обмотки является ее выполнение из параллельно соединенных и однотипных катушек. Принимая во внимание, что часть тока, текущего по первичной обмотке трансформатора, расходуется на создание полей рассеяния, то их снижение путем уменьшения сопротивления рассеяния, позволяет снизить величину тока первичной обмотки без снижения отдаваемой в нагрузку мощности.
Известен трансформатор ТЗ3-3200 предназначенный для согласования напряжений индукторов с напряжением источников энергии в установках индукционного нагрева. (Трансформаторы ТЗ4-800 и ТЗ3-3200 для установок индукционного нагрева, УДК 621.314.223.029.5:621.314.228, ОКП 34 4243 3109/12, Информэлектро, 1982)
Трансформатор состоит из магнитопровода и восьми секций обмоток. Каждая секция имеет шестивитковую катушку первичной обмотки, размещенную в алюминиевом литье, являющимся витком вторичной обмотки. Трубки, из которых навиты катушки первичной обмотки, покрыты жаропрочной изоляцией. В литье вторичного витка заложена трубка для охлаждающей воды. Первичная обмотка имеет 48 витков, разделенных на восемь катушек. Катушки первичной обмотки включены по две последовательно в четыре параллельные ветви. Вторичная обмотка состоит из восьми витков, которые соединяются параллельно контактными пластинами индуктора.
Таким образом, за счет параллельного соединения катушек первичной и вторичной обмоток получен трансформатор с номинальным током в первичной обмотке 4000А и мощностью 3200 кВА на частоте 2400 Гц.
Недостатками такого трансформатора являются большие габариты и масса обмоток выполненных из четырех параллельно соединенных ветвей, что в свою очередь, приводит и к увеличению габаритов магнитопровода и потерь в нем.
Недостатком также является наличие в конструкции факторов влияющих на снижение КПД, а именно:
- изготовление вторичной обмотки из алюминия, имеющего удельное электрическое сопротивление в 1,6 раза выше сопротивления меди, что приводит к повышенным, в сравнении с медной обмоткой, тепловым потерям,
- необходимость применения ошиновки четырех секций для их параллельного соединения, а также применение жаропрочной изоляции, увеличивающей зазоры между первичной и вторичной обмотками, приводит к повышению индуктивности рассеяния трансформатора.
К недостаткам относится и снижение свойств электроизоляции первичной обмотки, возникающее при воздействии на нее расплавом алюминия, на стадии изготовления секции обмотки.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является трансформатор для индукционных электротермических установок по изобретению по заявке на патент Российской Федерации №2010134079/07 (H01F 27/30, 27/28, пр. 13.08.2010, реш. о выдаче патента 28.04.2011, прототип). Трансформатор для индукционных электротермических установок - прототип состоит из водоохлаждаемых обмоток - первичной многовитковой в виде плоской спирали (диска) и вторичной одновитковой, образованной расположенными соосно и параллельно полыми дисками, каждый из которых имеет окно и разрез, образующий концы витка. Многовитковая плоская спираль (диск) первичной обмотки выполнена из медной профилированной трубки и расположена между плоскими дисками, образующими виток вторичной обмотки, соосно с ними. Предпочтительно диски вторичной обмотки выполняются из прямоугольных полых дисков, в центре которых выполнены осесимметричное окно и разрез одной из сторон. Дисковые первичная и вторичная обмотки образуют в сборе секцию обмоток трансформатора. Обмотки трансформатора могут собираться из нескольких секций. Магнитопровод трансформатора проходит через окна секций обмоток и замыкается снаружи.
Недостатком трансформатора-прототипа является ограничение его мощности величиной допустимого тока в первичной обмотке.
Повышение мощности трансформатора, как известно, требует увеличения тока в обмотках, что вызывает увеличение тепловых потерь. В конструкции-прототипе увеличение тока в медной профилированной спирально намотанной трубке, из которой выполнена первичная обмотка, ограничивается величиной тока, при которой наступает перегрев охлаждающей спираль жидкости. Объем протекания охлаждающей жидкости, в свою очередь, ограничен гидравлическим сопротивлением спирали и давлением в системе охлаждения. При этом конструкция вторичной обмотки трансформатора, выполненная из полых дисков и имеющая значительно меньшее электрическое и гидравлическое сопротивления, способна пропустить необходимый, для увеличения отдаваемой мощности, ток.
Кроме этого величину тока первичной обмотки ограничивает степень допустимого нагрева выводных шин (отпаек), отводящих ток с внутренних витков спирали (близлежащих к оси). По этим шинам, выполненным, как правило, из медного листа течет ток спирали, а их охлаждение осуществляется только за счет контакта с трубкой спирали. Чем ближе к оси виток, с которого снимается ток, тем длиннее шина и тем более нагружен тепловой режим ее работы. Также выведение шин с витков расположенных внутри спирали требует смещения трубок внешних витков, что приводит к увеличению зазоров между витками первичной и вторичной обмоток и, следовательно, к повышению индуктивности рассеяния трансформатора.
Из-за указанных недостатков, при построении трансформатора большой мощности, приходится идти по пути параллельного соединения нескольких секций трансформатора. В результате значительно увеличиваются габариты и масса трансформатора, повышается индуктивность рассеяния, а так же увеличиваются габариты магнитопровода, а, следовательно, потери в нем и снижается КПД.
Задача, решаемая заявляемой полезной моделью - повышение номинальной мощности трансформатора для электротермических установок, повышение КПД при снижении массы и габаритов.
Технический результат, достигаемый заявляемой конструкцией, состоит в снижении тепловых потерь и температурного режима работы многовитковой первичной обмотки, вследствие снижения ее электрического сопротивления и улучшения условий охлаждения витков обмотки, а также в снижении индуктивности рассеяния трансформатора, что приводит к снижению тока в первичной обмотке без снижения передаваемой трансформатором мощности.
Указанный результат достигается за счет того, что в известном трансформаторе для индукционных электротермических установок, включающем водоохлаждаемые обмотки - многовитковую первичную и одновитковую вторичную, образованную расположенными параллельно полыми дисками, каждый из которых имеет осесимметричное окно и разрез, в отличие от известного, первичная обмотка выполнена из витков в форме полых дисков, имеющих окно и разрез, образующий концы витка, а также сходную с дисками вторичной обмотки конфигурацию внешних контуров и окон, при этом диски первичной обмотки размещены по одному между дисками вторичной обмотки и электрически соединены между собой, образуя многовитковую обмотку, путем соединения концов витков, расположенных с разных сторон разрезов.
Дополнительное снижение активного сопротивления первичной обмотки и индуктивности рассеяния трансформатора можно получить в случае, когда диски первичной обмотки электрически соединены между собой при помощи шин, примыкающих к разрезам дисков, а в дисках первичной обмотки выходы разрезов на внешний контур в двух соседних дисках смещены относительно друг друга на расстояние не меньшее суммы значений ширины разреза и ширины шины, электрически соединяющей диски. В этом конкретном варианте выполнения дополнительный эффект достигается за счет соединения концов соседних витков первичной обмотки по кратчайшему пути. В этом варианте соединения витков (дисков) первичной обмотки значительно упрощается конструкция выводных шин-отпаек. В этом случае длины всех шин-отпаек будут одинаковыми, независимыми от расположения витка и, как следствие, температурные режимы их работы будут одинаковыми. При этом близкое расположение места контактного перехода тока в отпайке от места ее охлаждения снижает вероятность перегрева.
Дополнительное снижение температуры нагрева соединительных шин, а также сокращение количества внешних гидравлических соединений достигается при электрическом соединении между собой дисков первичной обмотки при помощи полых шин, используемых также в качестве водяных патрубков, соединяющих диски по воде.
Предлагаемое решение является новым, так как, в настоящее время, не известно аналогичное решение, характеризуемое приведенной совокупностью признаков.
Сущность заявляемого решения раскрывается на фиг.1 и 2, на которых приведен предпочтительный вариант выполнения трансформатора для высокочастотной установки индукционного нагрева по предлагаемой полезной модели.
На фиг.1 показана секция трансформатора по полезной модели, состоящая из трехвитковой первичной, одновитковой вторичной обмоток и магнитопровода. На фиг.2 представлена первичная обмотка. На фигурах показаны:
1 - магнитопровод,
2 - первичная обмотка,
3 -вторичная обмотка,
4 - диски вторичной обмотки 3,
5 - окно диска 4, 6-разрез,
7 - выводные колодки вторичной обмотки 3,
8 - диски первичной обмотки 2,
9 - окно диска 8,
10 - разрезы в дисках 8,
11 - соединительные шины,
12 - выводные шины,
13 - шины-отпайки,
14 - полость в соединительной шине! 1,
15 - отверстие,
На фиг.1 стрелками на первичной обмотке 2 показано направление течения тока в первичной обмотке; стрелками на фитингах показано направление течения охлаждающей жидкости.
На фиг.2 стрелками показано направление течения воды при переходе из полости диска 8 в полость 14 соединительной шины 11 через отверстие 15, также стрелками показаны вход и выход жидкости охлаждающей первичную обмотку.
Трансформатор состоит из магнитопровода 1 и образующих секцию обмоток - трех витковой первичной 2 и одновитковой вторичной 3. Вторичная обмотка 3 состоит из полых дисков 4. Диски имеют осесимметричные окна 5 и разрезы 6 одной из сторон. Диски располагаются параллельно друг другу, на равных расстояниях и неразъемно соединены с полыми выводными колодками 7. Вторичная обмотка 3 охлаждается жидкостью подаваемой фитингом в выводную колодку 7, проходящую по дискам 4 и далее в другую выводную колодку? и фитинг.
Первичная обмотка-2 состоит также из полых дисков 8 с окнами 9. Диски 8 первичной и диски 4 вторичной обмоток имеют одинаковую конфигурацию внешних контуров и окон;
окна в дисках имеют одинаковые размеры. Диски 8 имеют разрезы 10, смещенные друг относительно друга и образующие концы витков. Расположенные с разных сторон разрезов концы соседних витков (дисков) 8 электрически соединены между собой шинами 11, в результате образуется многовитковая обмотка 2. Выходы разрезов 10 на внешний контур в двух соседних дисках смещены относительно друг друга на расстояние не меньшее суммы значений ширины разреза 10 и ширины шины 11. За счет этого соединение дисков 8 производится по кратчайшему, одинаковой длины пути. Диски 8 первичной обмотки 2 расположены по одному между дисками вторичной обмотки 3 и отделены от них электроизоляционными зазорами. Первичная обмотка 2 включает выводные шины 12, шины-отпайки 13 и фитинги для подачи и слива охлаждающей жидкости. Шины 11 выполнены Польши, полости 14 которых сообщаются через отверстие 15 с полостями соединяемых дисков 8.
При работе первичная обмотка 2 подключается к источнику высокочастотной энергии выводными шинами 12 или сочетанием одной из них с шинами-отпайками 13. К выводным колодкам 7 вторичной обмотки 3 подключается нагрузка, например, индуктор. Ток первичной обмотки 2 проходит по поверхностям диска 8, переходит через соединительную шину 11, установленную вблизи разрезов 10 в следующий (средний) диск 8 и далее через соединительную шину 11 в крайний диск 8 и через выводную шину 12 идет во внешнюю схему соединения трансформатора. На поверхностях дисков 4 вторичной обмотки 3 возникает наведенный ток, суммируемый выводными колодками 7 и переходящий затем в нагрузку (индуктор).
Очевидно, что зона протекания тока по сторонам диска 8 в сравнении с зоной протекания тока по стороне трубки спиральной катушки в конструкции прототипа существенно шире и, как следствие, активная составляющая электрического сопротивления существенно ниже. К такому же результату приводит и отсутствие межвитковых зазоров - увеличивается ширина зоны протекания тока за счет максимального использования ширины основной токоведущей стороны диска. Кроме этого отсутствие межвитковых зазоров устраняет в потоке электромагнитного поля, проходящего в электроизоляционных зазорах между витками первичной 2 и вторичной 3 обмоток, полей рассеяния, что способствует снижению индуктивности рассеяния трансформатора и повышению его КПД. Этому же способствует и технологическая возможность сокращения электроизоляционных зазоров между плоскими дисками обмоток до размера порядка 1,5 мм.
Очевидно также, что в данной конструкции обеспечивается высокая эффективность охлаждения ее токоведущих участков. Конструкция позволяет, в зависимости от объема тепловых потерь, подлежащих снятию, делать выбор схемы охлаждения витков по параллельному или последовательному вариантам.
Выполнение витков обеих обмоток в форме плоских дисков с практически одинаковыми габаритами и сечениями позволяет получить равенство тепловых условий их работы, что снимает проблему ограничения мощности трансформатора из-за достижения предельно возможных электрических параметров одной обмоткой и недоиспользования возможностей другой. Кроме того, такой вариант конструкции высокотехнологичен.
Выводные шины 12 первичной обмотки 2 и шины-отпайки 13, вне зависимости от того содержат они внутренние полости или нет, имеют равные условия охлаждения, поскольку положение сторон дисков, к которым они присоединены, не зависит от места расположения диска в обмотке. Благодаря этому снимается ограничение величины пропускаемого обмоткой тока вследствие перегрева указанных шин. Эта конструктивная особенность обеспечивает равенство температурного режима работы всех используемых отпаек, а близкое размещение друг от друга зоны активного охлаждения шины-отпайки и места соединения со схемой снижает возможность перегрева отпайки.
Таким образом, отличия предлагаемой конструкции, неизвестные из уровня техники, обеспечивают:
- снижение электрического сопротивления многовитковой первичной обмотки трансформатора,
- снижение индуктивности рассеяния трансформатора,
- высокую эффективность охлаждения первичной обмотки,
- расширение возможностей регулирования коэффициента трансформации,
- выравнивание мощностных возможностей обмоток трансформатора.
Реализация предлагаемой конструкции позволяет получить мощный трансформатор с малыми массогабаритными показателями и высокими показателями КПД.
Промышленная применимость и использование предлагаемой полезной модели очевидны, а ее реализация не требует разработки специальных изделий и технологий. Полезная модель реализуется в промышленных условиях из доступных, известных составляющих и по известным технологиям.
Примером конкретного применения может служить трансформатор, разработанный для установок индукционного нагрева на частоты тока 1000, 2400, 4000, 10000 Гц для согласования напряжения индуктора с напряжением источника питания. Конструкция трансформатора принципиально соответствует приведенной на фиг.1. Трансформатор имеет номинальную мощность 3200 кВА, собран из четырех секций, объединенных магнитопроводом. Охлаждение трансформатора - водяное.
Каждая секция включает первичную обмотку, состоящую из трех последовательно соединенных витков. Две секции трансформатора имеют первичные обмотки с отпайками от каждого витка, а в двух других секциях первичные обмотки выполнены без отпаек. Витки как первичной, так вторичной обмоток выполнены из полых дисков. Размеры дисков - 282×264 мм, окон под магнитопровод - 142×140 мм, ширина разрезов - 2 мм. Диски выполняются из двух медных листов толщиной 2 мм, герметично соединенных сваркой по периметрам внешнего и внутреннего контуров. Расстояние между листами составляет 3 мм. Вторичные обмотки включают четыре диска, неразъемно установленных параллельно друг другу на выводных полых колодках с возможностью сообщения полостей. Выводные колодки оснащены фитингами для подачи и слива воды.
Первичные обмотки включают три диска, объединенных между собой шинами, образующими электрическое последовательное соединение. Эти шины выполнены как шины-отпайки. Возможно выполнение этих шин полыми, при этом обеспечивается также последовательное соединение дисков по воде. Крайние диски обмотки включают выводные шины и фитинги.
Первичная и вторичная обмотки выполнены в виде отдельных узлов, с достаточно высокой точностью, что позволяет обеспечить при сборке зазоры между витками (дисками) порядка 1,5 мм. Зазоры между витками первичной и вторичной обмоток заполнены электроизоляционным компаундом «СУРЭЛ-СЛ-КСТ». В качестве формы при заливке секции компаундом используются внешние диски вторичной обмотки и выводные колодки, что значительно упрощает и удешевляет процесс заливки. При заливке секций компаундом, со стороны выводов первичной обмотки, устанавливается диэлектрическая панель (не показана на фиг.1). Благодаря достаточно большим поверхностям, малым зазорам между дисками обмоток и объединяющей их диэлектрической панели, механически связывающего эти узлы электроизоляционного компаунда, достаточно для получения прочной, надежной и ремонтнопригодной секции обмоток
Из известных выпускаемых в настоящее время мощных трансформаторов с дисковыми обмотками для индукционных установок трансформатор ТЗ3-3200 обладает наиболее высокими техническими характеристиками. В таблице приведены параметры этого трансформатора и трансформатора по предлагаемой полезной модели. Преимущества предлагаемого трансформатора видны из сравнения приведенных данных.
параметры
трансформатор по полезной модели.
трансформатор ТЗ3-3200
частота, Гц
2400
2400
мощность номинальная, кВА
3200
3200
напряжение на первичной обмотке, В
800
800
КПД при токе первичной обмотки 4000А и Cosf<sub>н</sub>=0,3, %
91
80
падение напряжения при коротком замыкании, %
5-8,5
15-30
масса трансформатора, кг
190
300
габаритные размеры (длина×ширина×высота), мм
480×500×450
480×690×510
Таким образом, предлагаемая полезная модель за счет новой конструкции обеспечивает снижение массы и габаритов, повышение КПД, снижение напряжения короткого замыкания.