МНОГОФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР
POLYPHASE TRANSFORMER

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в многофазных полупроводниковых преобразователях, например в выпрямителях, инверторах и преобразователях частоты, а также в электроэнергетических системах для изменения величины и повышения качества переменного напряжения.
Аналогом является, например, многофазный трансформатор и способ его сборки (патент РФ №2401470, опубликован 10.10.2010), который содержит средний витой (шихтованный) кольцевой магнитопровод из двух колец равной высоты, шлифованных с одного торца и склеенных по торцовым не шлифованным поверхностям. Шихтованные зубцы прямоугольной формы наклеены на торцовые шлифованные поверхности колец. Каждая фазная обмотка трехфазной первичной обмотки выполнена в виде m/3 катушек. Многофазная вторичная обмотка уложена в пазы между зубцами. Магнитные потоки трансформатора замыкают два боковых витых кольцевых магнитопровода, шлифованных с одного торца, примыкающих этими шлифованными торцами к зубцам.
Наиболее близок к предлагаемому многофазному трансформатору многофазный трансформатор и способ его сборки (заявка на изобретение №2011152680, положительное решение ФИПС от 08.02.2013), который содержит многофазную первичную обмотку, многофазную вторичную обмотку и шихтованный магнитопровод. Шихтованный магнитопровод состоит из внутреннего и внешнего магнитопроводов, внутренний магнитопровод выполнен из штампованных листов электротехнической стали круглой формы с одинаковыми пазами, открытыми с внешней стороны, но двух различных внешних диаметров - большого и малого, причем большой и малый листы магнитопровода при наборе в пакет в осевом направлении чередуются, в пазах пакета магнитопровода размещены катушки указанных выше первичной и вторичной обмоток, а внешний магнитопровод выполнен из листов кольцевой формы, состоящих из двух или более частей, двух размеров, имеющих одинаковый наружный диаметр, но различный внутренний диаметр, внутренний диаметр одного кольца равен внешнему диаметру большого листа внутреннего магнитопровода, а внутренний диаметр второго кольца равен внешнему диаметру малого листа внутреннего магнитопровода, при этом кольцевые листы с различным внутренним диаметром внешнего магнитопровода при сборке в пакет так же, как и листы внутреннего магнитопровода, чередуются с возможностью сопряжения с листами внутреннего магнитопровода соответствующего размера.
Недостатком прототипа являются большие потери мощности в первичной и вторичной обмотках трансформатора. Стороны витков катушек распределенных первичной и вторичной обмоток располагаются в пазах внутреннего магнитопровода, и каждый виток охватывает несколько зубцов и пазов внутреннего магнитопровода. Площади сечения зубца и паза внутреннего магнитопровода примерно равны, а индукция магнитного поля в пазу практически равна нулю. Вследствие этого средняя индукция магнитного поля в площади, охватываемой витками первичной и вторичной обмоток, низкая. Поэтому для получения заданной электродвижущей силы обмоток необходимо увеличивать число витков в катушках, то есть длину проводников катушек. При увеличении длины проводников катушек их активное сопротивление возрастает, а значит, и потери мощности в обмотках будут большими.
Предлагаемое изобретение позволит создать многофазный трансформатор со значительно меньшими потерями в обмотках и, значит, с более высоким коэффициентом полезного действия.
Это достигается тем, что в многофазном трансформаторе, содержащем многофазную первичную обмотку, многофазную вторичную обмотку и шихтованный магнитопровод, состоящий из внутреннего и внешнего магнитопроводов, при этом внутренний магнитопровод выполнен из штампованных листов электротехнической стали круглой формы с одинаковыми пазами, открытыми с внешней стороны, но двух различных внешних диаметров - большого и малого, причем большой и малый листы магнитопровода при наборе в пакет в осевом направлении чередуются, а внешний магнитопровод выполнен из листов кольцевой формы, состоящих из двух или более частей, двух размеров, имеющих одинаковый наружный диаметр, но различный внутренний диаметр. Внутренний диаметр одного кольца равен внешнему диаметру большого листа внутреннего магнитопровода, а внутренний диаметр второго кольца равен внешнему диаметру малого листа внутреннего магнитопровода, при этом кольцевые листы с различным внутренним диаметром внешнего магнитопровода при сборке в пакет так же, как и листы внутреннего магнитопровода, чередуются с возможностью сопряжения с листами внутреннего магнитопровода соответствующего размера, согласно изобретению стороны витков катушек первичной и вторичной обмоток, размещенных на внутреннем магнитопроводе, проходят в одном из пазов и в центральном отверстии внутреннего магнитопровода, охватывая кольцевую часть внутреннего магнитопровода.
Предлагаемая конструкция многофазного трансформатора позволяет создать многофазный трансформатор со значительно меньшими потерями в обмотках вследствие того, что длина витков и общая длина проводников первичной и вторичной обмоток меньше, чем у прототипа.
На фиг.1 показаны элементы внутреннего и внешнего магнитопровода многофазного трансформатора. На фиг.2 приведен пакет внутреннего магнитопровода многофазного трансформатора. На фиг.3 - размещение катушек первичной обмотки на внутреннем магнитопроводе. На фиг.4 показана схема соединения катушек фазы U однослойной трехфазной обмотки. На фиг.5 показано размещение катушек вторичной обмотки на внутреннем магнитопроводе. На фиг.6 показана установка широких колец внешнего магнитопровода. На фиг.7 показан многофазный трансформатор в сборе. На фиг.8 показан пульсирующий магнитный поток, созданный фазой U.
На фиг.1,а и 1,б показаны большой лист 1 и малый лист 2 внутреннего магнитопровода многофазного трансформатора. Листы 1 и 2 выполняются из листовой электротехнической стали. Лист 1 и лист 2 имеют пазы, открытые со стороны наружного периметра. Все размеры листов 1 и листов 2 одинаковы за исключением наружного диаметра. Большой лист 1 имеет наружный диаметр больше, чем малый лист 2. На фиг.1,в и 1,г показаны узкое кольцо 3 и широкое кольцо 4 внешнего магнитопровода, выполненные также из листовой электротехнической стали. Наружные диаметры узкого кольца 3 и широкого кольца 4 одинаковы. Внутренний диаметр узкого кольца 3 внешнего магнитопровода равен наружному диаметру большого листа 1 внутреннего магнитопровода. Внутренний диаметр широкого кольца 4 внешнего магнитопровода равен наружному диаметру малого листа 2 внутреннего магнитопровода. Кольца 3 и 4 должны быть составными из двух или большего числа частей, на фиг.1,в и 1,г кольца 3 и 4 состоят из трех частей.
При сборке многофазного трансформатора сначала собирают пакет внутреннего магнитопровода из листов 1 и 2. При сборке пакета внутреннего магнитопровода листы 1 и 2 чередуются в осевом направлении (фиг.2). Пакет внутреннего магнитопровода собирают таким образом, чтобы пазы листов 1 и 2 совпадали. Перед намоткой первичной и вторичной обмоток пазы и кольцевую часть внутреннего магнитопровода необходимо изолировать.
Затем на собранный пакет внутреннего магнитопровода наматывают катушки 5 многофазной первичной обмотки. Катушки 5 наматываются на кольцевую часть внутреннего магнитопровода таким образом, чтобы каждый виток катушек 5 проходил в одном из пазов и в центральном отверстии внутреннего магнитопровода (фиг.3). Катушки 5 соединяются в фазы, число которых должно соответствовать числу фаз первичной сети. Первичная обмотка может быть однослойной или двухслойной. При соответствующем числе пазов на внутреннем магнитопроводе можно разместить любой вариант многофазной обмотки, создающей магнитное поле с заданным числом пар полюсов, которые для машин переменного тока приведены в широко известных источниках, например [1, с.51-86].
Для примера на фиг.4 показано размещение на внутреннем магнитопроводе, собранном из больших листов 1 и малых листов 2 с двенадцатью пазами, катушек 5 однослойной трехфазной обмотки и схема соединения катушек 5 фазы U при одной паре полюсов магнитного поля многофазного трансформатора. Катушки 5 фаз V и W соединяются аналогичным образом.
После намотки катушек 5 первичной обмотки на внутренний магнитопровод наматываются катушки 6 вторичной многофазной обмотки. Катушки 6 так же, как и катушки 5, наматываются таким образом, чтобы каждый виток катушек 6 проходил в одном из пазов и в центральном отверстии внутреннего магнитопровода (фиг.5). Катушки 6 соединяются в фазы, число которых может отличаться от числа фаз первичной обмотки.
Затем собирается внешний магнитопровод многофазного трансформатора. Сначала между большими листами 1 внутреннего магнитопровода вставляются части широких колец 4 внешнего магнитопровода до контакта с кромками малых листов 2 внутреннего магнитопровода (фиг.6).
После установки широких колец 4 между ними устанавливаются части узких колец 3 внешнего магнитопровода до контакта с кромками больших листов 2 внутреннего магнитопровода (фиг.7).
Собранную конструкцию многофазного трансформатора нужно закрепить нажимными щеками, шпильками, скобами или иными конструкционными элементами.
Многофазный трансформатор работает следующим образом.
При подаче на фазы первичной обмотки, которые составляются из катушек 5, первичная обмотка создает вращающееся магнитное поле. Мгновенное положение магнитного потока Ф, созданного катушками 5, схема соединения которых в трехфазную обмотку приведена на фиг.4, показано на фиг.8. Вращающееся магнитное поле индуцирует электродвижущую силу в катушках 6 вторичной обмотки, и при подключении к фазам вторичной обмотки нагрузки электродвижущая сила создаст в фазах нагрузки ток.
В предлагаемом многофазном трансформаторе каждый виток первичной и вторичной обмоток охватывает только кольцевую часть магнитопровода и коэффициент заполнения электротехнической сталью площади витков такой же, как у обычных трансформаторов. Средняя индукция магнитного поля в площади, охватываемой витками первичной и вторичной обмоток, в заявляемой конструкции многофазного трансформатора намного выше, чем в прототипе. Поэтому для получения такой же электродвижущей силы в первичной и вторичной обмотках в предлагаемом многофазном трансформаторе необходимо значительно меньшее число витков обмоток, чем у прототипа. Длина проводников обмоток сокращается, уменьшается их активное сопротивление, уменьшаются потери в обмотках и таким образом повышается коэффициент полезного действия трансформатора.
Источник информации
1. Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины. Часть вторая. Машины переменного тока / Энергия, Ленинградское отделение, 1973, 648 с.