ТРАНСФОРМАТОР ДЛЯ ИНДУКЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к трансформаторам с жидкостным охлаждением, предназначенным для установок индукционного нагрева повышенной частоты.
Тепло, выделяющееся в обмотках, шинах и магнитопроводе выводится из трансформатора путем охлаждения с помощью жидкости, в частности воды. Это наиболее простой, эффективный и экономичный способ охлаждения. Подача и вывод воды из узлов трансформатора, требующих охлаждения, осуществляется путем их подключения к системе водяного питания, как правило, общей для всей установки индукционного нагрева. Охлаждаемые узлы трансформатора с помощью шлангов (коммуникаций) образуют ветви охлаждения, присоединяемые к вводным и выводным коллекторам системы водяного питания всей электротермической установки. Чем больше в трансформаторе охлаждаемых узлов, тем большее количество шлангов связывает трансформатор с внешней системой водяного питания. Шланги затрудняют обслуживание оборудования. Особенно снижаются эксплуатационные возможности трансформатора в тех случаях, когда технологический процесс предусматривает перемещение его в пространстве.
Сокращение числа необходимых коммуникаций (подходящих к трансформатору шлангов) возможно за счет последовательного соединения ветвей охлаждения. Этот способ эффективен при малом гидравлическом сопротивлении ветвей и малой тепловой мощности, выделяющейся в них.
В трансформаторах с большими тепловыми потерями последовательное соединение ветвей охлаждения приводит к необходимости повышения давления в системе питания для того, чтобы обеспечить необходимый поток жидкости. Это не всегда возможно и снижает надежность работы трансформатора.
Известен трансформатор с жидкостным охлаждением ТВД-2, предназначенный для согласования напряжений индукторов с напряжением источника питания в установках индукционного нагрева. (Л.Л.Тир «Трансформаторы для установок индукционного нагрева повышенной частоты.», М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961, с.134, рис.5-3). Такой трансформатор включает охлаждаемые обмотки, состоящие из 13 дисковых первичных и 12 вторичных катушек. Первичные катушки выполнены из медных труб, по которым пропускается вода. Вторичные катушки представляют собой незамкнутые полые диски из листовой меди. Охлаждение производится пропусканием воды по полостям дисков. Магнитопровод трансформатора состоит из пакетов листов стали и проложенных между пакетами медных радиаторных листов, служащих для отвода выделяющегося тепла. К радиаторным листам припаяны трубки, по которым протекает охлаждающая вода. В число охлаждаемых узлов трансформатора, кроме обмоток и магнитопровода, входят также сборные шины первичной обмотки и выводные плиты вторичной обмотки. Охлаждаемые узлы оснащены штуцерами для подсоединения к ним шлангов. С помощью шлангов узлы соединяются с распределительными коллекторами системы водяного питания установки. В зависимости от расстояния между трансформатором и распределительными коллекторами установки длина подходящих к трансформатору шлангов может меняться, но их количество определяется устройством самого трансформатора.
Несущей конструкцией трансформатора является магнитопровод, к которому присоединены рамы. На рамах закреплены обмотки и остальные узлы и детали трансформатора, в том числе вводные и выводные штуцеры для подсоединения к ним водяных шлангов.
Недостатком конструкции трансформатора ТВД-2 является использование магнитной системы трансформатора в качестве несущей конструкции, так как механические нагрузки на магнитопровод вызывают в нем повышенные тепловые потери.
Также недостатком конструкции является большое количество коммуникаций (шлангов), необходимых для соединения трансформатора с коллекторами внешней системы водяного питания. Их количество равно удвоенному количеству ветвей охлаждения, из которых состоит схема охлаждения трансформатора. Большая длина и большое количество подходящих к трансформатору шлангов охлаждения отрицательно сказываются на компоновке индукционной установки в целом. Этот недостаток, прежде всего, ограничивает свободу размещения и перемещения трансформатора в пространстве, усложняет проведение профилактических и ремонтных работ.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является трансформатор ТВШ-3 с жидкостным (водяным) охлаждением для индукционных электротермических установок. (Л.Л.Тир «Трансформаторы для установок индукционного нагрева повышенной частоты.», М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961, с.136, рис.5-5, прототип).
Трансформатор ТВШ-3 включает охлаждаемые дисковые обмотки, состоящие из 12 первичных и 12 вторичных катушек, водоохлаждаемые шины, контактные колодки шин. Конструкции первичных и вторичных катушек трансформатора однотипны.
Охлаждаемый магнитопровод трансформатора состоит из пакетов листов стали и медных радиаторных листов, проложенных между пакетами. К радиаторным листам припаяны трубки, по которым протекает охлаждающая вода.
Обмотки, магнитопровод и все остальные узлы и детали механически закреплены на несущей раме, воспринимающей на себя вес всего трансформатора. Несущая рама состоит из поперечных ригелей соединенных полыми стойками. Ригели рамы механически связаны с основными узлами трансформатора, а полые стойки воспринимают на себя весовую нагрузку узлов, снимая ее с магнитопровода, тем самым улучшая условия его работы в сравнении с трансформатором ТВД-2.
Схема охлаждения узлов трансформатора ТВШ-3 аналогична схеме трансформатора ТВД-2.
Недостатком трансформатора ТВШ-3 (прототипа) является необходимость большого количества коммуникаций (шлангов) для соединения его с коллекторами системы водяного питания установки. При отдаваемой трансформатором максимальной мощности 3000 кВА схема водяного охлаждения трансформатора имеет более десяти параллельно соединенных ветвей охлаждения, требующих подвода к трансформатору более двух десятков шлангов.
Задача, решаемая заявляемой полезной моделью, состоит в создании компактного трансформатора с жидкостным охлаждением с повышенными технологическими и эксплуатационными возможностями.
Технический результат, достигаемый заявляемой полезной моделью - сокращение необходимого количества коммуникаций (шлангов) для подсоединения трансформатора к системе водяного питания индукционной установки.
Указанный результат достигается за счет того, что в известном трансформаторе с жидкостным охлаждением для индукционных электротермических установок, включающем охлаждаемые дисковые обмотки и магнитопровод, механически закрепленные на несущей раме, состоящей из поперечных ригелей, соединенных полыми стойками, в отличие от известного, полые стойки рамы выполнены в виде коллекторов, служащих для подвода и отвода охлаждающей жидкости к охлаждаемым узлам трансформатора.
При таком решении стойки рамы как элементы, несущие механическую нагрузку, наделяются дополнительной функцией - коллекторов, подводящих и отводящих воду от охлаждаемых узлов трансформатора. Существенно также то, что коллекторы расположены в непосредственной близости от охлаждаемых узлов.
Результат такого совмещения позволяет сократить количество коммуникаций, необходимых для связи трансформатора с внешней системой водяного снабжения до числа используемых коллекторов, а именно четырех-двух подводящих (вводных) и двух отводящих (выводных).
Это приводит:
- к сокращению пространства, занимаемого трансформатором с его водяными коммуникациями, что позволяет создать простую и удобную компоновку установок, где требуется перемещение трансформатора в пространстве в процессе работы, например, индукционной установки для закалки длинномерных изделий;
- к снижению материалоемкости трансформатора;
- к повышению эксплуатационных качеств трансформатора, связанных с разборкой и сборкой при ремонте;
- к снижению величины рабочего давления в системе водяного питания, так как сокращается длина коммуникаций подающих и отводящих воду от охлаждаемых узлов, что обеспечивает уменьшение гидравлического сопротивления ветвей охлаждения.
Предлагаемое решение является новым, так как в настоящее время не известно аналогичное решение, характеризуемое приведенной совокупностью признаков. Отличие решения от известного обеспечивает достижение указанного технического эффекта.
Сущность заявляемого изобретения раскрывается с помощью фигуры, где представлен конкретный вариант выполнения предлагаемого трансформатора с водяным охлаждением, состоящего из дисковых обмоток, разделенных на четыре секции, и магнитопровода броневого типа разделенного также на четыре секции.
На фигуре показаны:
1 - секция дисковых обмоток,
2 - секция магнитопровода,
3 - нижний ригель рамы,
4 - верхний ригель рамы,
5 - полая стойка - вводной коллектор,
6 - полая стойка - выводной коллектор,
7 - планка опорная,
8 - планка прижимная,
9 - шпилька,
10 - фитинг,
11 - патрубок.
Стрелками показаны направления течения воды в трубках (эквивалент шлангов; трубки не показаны), соединяющих фитинги 10, а также направления течения воды в патрубках 11, посредством которых производится соединение вводных коллекторов 5 и выводных 6 с системой водяного питания установки (не показана).
Трансформатор включает дисковые обмотки, разделенные на четыре секции 1 и магнитопровод броневого типа, состоящий из четырех секций 2. Секции дисковых обмоток 1 содержат, выведенные наружу фитинги 10, к которым с помощью трубок охлаждения подается (выводится) вода. Фитингами 10 также оснащены и охлаждаемые водой секции 2 магнитопровода.
Обмотки и магнитопровод закреплены на несущей раме, состоящей из полых стоек 5 и 6, нижнего ригеля 3 и верхнего ригеля 4. На фигуре верхний ригель 4 показан в поднятом положении. Полые стойки 5 (2 шт) выполнены в виде вводных коллекторов, а стойки 6 (2 шт) в виде выводных коллекторов схемы охлаждения трансформатора.
Нижние секции 2 магнитопровода установлены на нижнем ригеле 3 несущей рамы.
Секции 1 обмоток трансформатора установлены на опорных планках 7, лежащих на нижнем ригеле 3. Верхний ригель 4 закрепляется на двух стойках 5 и двух стойках 6, обеспечивая сжатие пакета секций 1 обмоток при помощи планок 7 и 8. Дополнительно пакет секций 1 обмоток связан с ригелями 3 и 4 при помощи шпилек 9 (4 шт), проходящих сквозь секции 1 обмоток и планки 7, 8. Верхние секции 2 магнитопровода фиксируются винтами на своих местах после закрепления секций 1 обмоток.
Полые стойки 5 и 6 несущей рамы, могут быть выполнены из трубных профилей, заглушенных с торцов, и имеющих шпильки для крепления с ригелями 3, 4. Вдоль осей стоек 5 и 6 размещены фитинги 10, которые соединяются диэлектрическими трубками с аналогичными фитингами на секциях обмоток и магнитопровода. На фигуре трубки не показаны; стрелками показано направление движения жидкости в них. Для соединения с системой водяного питания установки на коллекторных стойках 5 и 6 имеются патрубки 11.
Таким образом, видно, что конструкция стоек 5 и 6 обеспечивает выполнение одновременно двух функций - функции механической связи элементов в несущей раме и функции коллекторов - распределителей водяных потоков в схеме охлаждения трансформатора. Очевидно, что в таком варианте конструкции коллекторы системы охлаждения трансформатора находятся в непосредственной близости от охлаждаемых узлов. Вследствие этого создается оптимальная схема их соединения достаточно короткими трубками охлаждения, оптимальным образом вписанными в конструкцию, без увеличения габаритных размеров; снижаются материалоемкость, габариты и стоимость.
Также, вследствие малой длины соединительных труб от коллекторов до охлаждаемых узлов существенно снижается гидравлическое сопротивление нагрузки подключаемой к внешнему источнику. В результате необходимый проток жидкости по ветвям охлаждения достигается при меньшем давлении, чем, например, в конструкции трансформатора-прототипа. Снижение рабочего давления не только понижает требования к источнику, но и повышает надежность и долговечность узлов, работающих при сниженном уровне давления. Очевидно также, повышение ремонтопригодности конструкции - удобство обслуживания и ремонта.
Таким образом, отличия предлагаемой конструкции, неизвестные из уровня техники, приводят к достижению указанного технического эффекта, что обеспечивает повышение эксплуатационных свойств трансформатора в составе индукционной установки, снижают габариты, занимаемого им пространства, снижают его материалоемкость и стоимость.
Промышленная применимость предлагаемой полезной модели очевидна, а ее реализация не требует разработки специальных изделий и технологий. Полезная модель реализуется в промышленных условиях из доступных, известных составляющих и по известным технологиям.
Работает предлагаемый трансформатор так же, как другие подобные трансформаторы: трансформатор подключается к системе охлаждения, первичная обмотка трансформатора включается в сеть источника высокочастотной энергии, к выводам вторичной обмотки подключается индуктор (нагрузка). Источник охлаждающей жидкости подключается к двум вводным коллекторам 5, в которых патрубки 11 расположены в нижней части. В каждом из вводных коллекторов 5 жидкость распределяется через фитинги 10 и водяные диэлектрические трубки по охлаждаемым узлам и, отобрав от них тепло, переходит в выводные коллекторы 6, из которых через патрубки 11, расположенные в верхних частях выводных коллекторов 6 возвращается в систему водяного питания установки.
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 соответствует приведенной на фигуре. Трансформатор имеет номинальную мощность 3200 кВА. Обмотки трансформатора состоят из четырех секций, объединенных магнитопроводом броневого типа, выполненным из витых, разрезных сердечников. Коллекторные стойки выполнены из трубы с толщиной стенки 2 мм и сечением 25×50 мм. В качестве фитингов использованы угловые фитинги с накидными гайками. В качестве соединительных диэлектрических трубок использованы трубки из полиуретана с размером в сечении 10×8 мм. Коллекторные стойки также содержат патрубки с резьбой 3/4”, служащие для соединения с внешней системой водяного питания, и, при необходимости, подсоединения к ним вентилей, манометров, фильтров, штуцеров и т.д. Система охлаждения узлов трансформатора питается от водяных магистралей и не требует давления более 0,15-0,2 МПа. Различное расположение по высоте резьбовых патрубков 11 в коллекторах 5 и 6 связано с необходимостью удаления из системы охлаждения воздуха. Соединение трансформатора с внешней системой охлаждения осуществляется всего четырьмя шлангами - двумя вводными и двумя выводными. Сборка и разборка трансформатора проста, удобна и не требует высокой квалификации ремонтного персонала.
Из известных выпускаемых в настоящее время трансформаторов с дисковыми обмотками для индукционных установок, предлагаемая конструкция обладает наиболее высокими эксплуатационными качествами, выраженными в малых габаритах занимаемого пространства, малом весе, простотой и удобством проведения операций по разборке и сборке трансформатора.