ТРАНСФОРМАТОР С ТРЕХФАЗНОЙ И КРУГОВОЙ ОБМОТКАМИ
TRANSFORMER WITH THREE-PHASE AND CIRCULAR WINDINGS

Область техники, к которой относится изобретение. Изобретение относится к трансформаторостроению и может быть использовано в многофазных полупроводниковых преобразователях, в частности в выпрямителях, инверторах и преобразователях частоты.
Уровень техники. Из уровня техники известен многофазный трансформатор с вращающимся магнитным полем, содержащий средний магнитопровод, шихтованный из пакетов разного профиля с пазами на торцевых, внутренних и боковых поверхностях, в которые уложены трехфазная и многофазная обмотки. Два крайних пакета среднего шихтованного магнитопровода имеют пазы на полную высоту катушечной группы. Центральная часть среднего шихтованного магнитопровода имеет пазы у наружной и внутренней поверхностей для укладки в них витков обмоток. Дополнительные магнитопроводы выполнены витыми без пазов. (Патент на изобретение RU 2305339 С1; МПК Н01F 30/14, H02M 5/14, опубликован 27.08.2007 г., Бюллетень №24). К недостаткам данного аналога относятся следующие факторы:
Z
- наличие прямого открытого паза, в силу чего в кривой магнитного поля появляются трудно удаляемые зубцовые гармонические составляющие с относительными частотами ν=kZ/p±1 где:
k - числа натурального ряда (1, 2, 3,…);
Z - число пазов;
p - число пар полюсов обмотки;
- низкий коэффициент использования электротехнической стали вследствие раннего насыщения магнитной системы при низких значениях магнитодвижущей силы (МДС);
- значительный воздушный зазор между центральным и боковыми витыми магнитопроводами.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является многофазный трансформатор с вращающимся магнитным полем, содержащий средний витой магнитопровод с пазами на торцевых поверхностях, в которые уложены первичная трехфазная обмотка и два боковых витых магнитопровода с пазами на торцевых поверхностях, примыкающих к торцам среднего витого магнитопровода с многофазными обмотками, каждая из которых охватывает тот боковой магнитопровод, в пазы которого она уложена (Патент на изобретение RU 2115186 С1; МПК Н01F 30/14, H02M 5/14, опубликован 10.07.1998 г. в Бюллетене №19). Данный аналог принимается за прототип.
К недостаткам прототипа можно отнести следующее:
- применение в качестве выходной многофазной многолучевой обмотки, что существенно усложняет технологию изготовления трансформатора с вращающимся магнитным полем;
- применение открытых пазов в наружной и внутренней частях среднего шихтованного магнитопровода;
- наличие значительных магнитных потоков рассеяния в связи с намоткой обмоток по цилиндрической поверхности среднего витого магнитопровода, не имеющей пазов на боковой поверхности, так как пазы у среднего магнитопровода проточены только на его торцевых поверхностях;
- применение диаметрального шага обмоток, которое приводит к появлению у трансформатора лобовых частей, исключающих плотное прилегание боковых витых магнитопроводов к среднему витому магнитопроводу через тонкую немагнитную прокладку;
- применение трехфазной и круговой обмоток с диаметральным шагом, что негативно сказывается на качестве питающего и выходного напряжения;
- применение дополнительных боковых витых магнитопроводов, что существенно увеличивает массу, габариты и стоимость трансформатора;
- относительно низкие значения коэффициента полезного действия (к.п.д.) и коэффициента мощности;
Раскрытие изобретения. Сущность заявляемого технического решения состоит в том, что ярмо внутреннего шихтованного цилиндрического магнитопровода выполнено из пакетов одинакового профиля с полузакрытыми пазами на полную высоту катушечных групп, в которые уложены с укороченным шагом трехфазная и круговая якорная обмотки с отводами, причем число пазов у обеих обмоток на полюс и фазу выбирается дробным, а наружный шихтованный кольцевой магнитопровод, выполненный в виде цилиндра, надвигается на внутренний шихтованный магнитопровод с требуемым зазором для обеспечения необходимой линейности основной кривой намагничивания магнитопровода и для замыкания основного магнитного потока с целью уменьшения потоков рассеяния с боковой поверхности трансформатора.
Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим шесть принципиальных отличий от прототипа:
- активная часть внутреннего ярма магнитопровода выполнена шихтованной из пакетов одного профиля с полузакрытыми пазами на полную высоту катушечной группы;
- наружный шихтованный кольцевой магнитопровод, выполненный в виде цилиндра, надвигается на внутренний шихтованный магнитопровод с требуемым зазором для обеспечения необходимой линейности основной кривой намагничивания магнитопровода и для замыкания основного магнитного потока с целью уменьшения потоков рассеяния с боковой поверхности трансформатора;
- имеющие укороченный шаг трехфазная и круговая якорная обмотки с отводами уложены в полузакрытые пазы;
- число пазов на полюс и фазу для трехфазной и круговой обмоток выбирается дробным;
- трехфазная и круговая якорная обмотки с отводами укладываются в полузакрытые пазы с применением общей технологии выполнения обмоток;
- исключаются два дополнительных боковых витых магнитопровода.
Предлагаемое решение имеет изобретательский уровень, так как совокупность существенных признаков изобретения приводит к новому техническому результату - повышению электромагнитной совместимости полупроводниковых преобразователей, снабженных предлагаемым трансформатором, с питающей сетью и нагрузкой за счет применения наружного шихтованного кольцевого магнитопровода, выполненного в виде цилиндра, надвигаемого на внутренний шихтованный магнитопровод с требуемым зазором для обеспечения необходимой линейности основной кривой намагничивания магнитопровода и для замыкания основного магнитного потока с целью уменьшения потоков рассеяния с боковой поверхности трансформатора, изготовления внутреннего шихтованного магнитопровода с полузакрытым пазом и применения для укладки трехфазной и круговой обмоток укороченного шага, выбора дробного числа пазов на полюс и фазу для трехфазной и круговой обмоток, что обуславливает подавление высших пространственных гармонических составляющих магнитного поля и зубцовых гармоник, снижение массогабаритных характеристик за счет исключения двух дополнительных витых боковых магнитопроводов, уменьшение или сохранение стоимости изготовления нового трансформатора на уровне прототипа, применение единой технологии намотки трехфазной и круговой обмоток, увеличение установленной мощности трансформатора, снижение тепловых потерь, повышение к.п.д. и коэффициента мощности трансформатора и полупроводникового преобразователя в целом.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является разработка конструкции трансформатора с вращающимся магнитным полем, превосходящего прототип по качеству питающего и выходного напряжения, меньшей массе и габаритам магнитопровода при уменьшении или сохранении стоимости его изготовления на уровне прототипа за счет исключения двух дополнительных боковых витых магнитопроводов, изготовления шихтованного цилиндрического магнитопровода с полузакрытым пазом, замены трехфазной и круговой обмоток с диаметральным шагом на обмотки с укороченным шагом для подавления высших пространственных гармонических составляющих магнитного поля, а также подавление зубцовых гармонических составляющих за счет применения дробного числа пазов на полюс и фазу, что снижает магнитные потоки рассеяния лобовых частей обмоток цилиндрического трансформатора и способствует увеличению его установленной мощности на величину до 25%, повышению к.п.д. на 5% и коэффициента мощности с 0,85 до 0,95.
Краткое описание чертежей. Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 показан поперечный разрез трансформатора с указанием расположения трехфазной 3 и круговой 4 обмоток в пазах внутреннего магнитопровода 2, на который одет внешний магнитопровод 1. На фиг.2 приведено изображение разреза паза трансформатора с трехфазной 3 и круговой 4 обмотками с межслойной 6 и пазовой 7 изоляцией, зафиксированных в пазу клином 8, воздушный зазор 5 между внешним 1 и внутренним 2 магнитопроводами. На фиг.3 показан внутренний магнитопровод 2 трансформатора в аксонометрии. На фиг.4 приведена линейная развертка трехфазной двухслойной шестизонной обмотки для случая, когда магнитопровод содержит 27 пазов. На фиг.5 приведена линейная развертка круговой двухслойной девятисекционной обмотки для случая, когда магнитопровод содержит 27 пазов. На фиг.6 показана кривая магнитного поля и ее спектр, которые получены в результате моделирования работы трансформатора для случая, когда внутренний магнитопровод выполнен с открытыми пазами. На фиг.7 показана кривая магнитного поля и ее спектр, которые получены в результате моделирования работы трансформатора и эксперимента для случая, когда внутренний магнитопровод выполнен с полузакрытыми пазами.
<mrow><mi>e</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mo>−</mo><mfrac><mo>∂</mo><mrow><mo>∂</mo><mi>t</mi></mrow></mfrac><mi>Ψ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Осуществление изобретения. Трансформатор с трехфазной и круговой обмотками содержит внутренний и наружный шихтованные магнитопроводы. Наружный шихтованный кольцевой магнитопровод, выполненный в виде полого цилиндра, надвигается на внутренний шихтованный магнитопровод с требуемым зазором для обеспечения необходимой линейности основной кривой намагничивания магнитопровода и для замыкания основного магнитного потока с целью уменьшения потоков рассеяния с боковой поверхности трансформатора. Внутренний шихтованный цилиндрический магнитопровод выполнен из пакетов одинакового профиля с полузакрытыми пазами на полную высоту катушечных групп, в которые уложены с укороченным шагом трехфазная и круговая якорная обмотка с отводами, причем число пазов у обеих обмоток на полюс и фазу выбирается дробным. При подаче на трехфазную обмотку трехфазной симметричной системы напряжений она создает в магнитопроводе трансформатора вращающееся магнитное поле, которое в соответствии с законом электромагнитной индукции
возбуждает в круговой обмотке ЭДС индукции, сдвинутые относительно друг друга на угол 2π/n, где n - число секций круговой обмотки трансформатора. В результате происходит преобразование симметричной трехфазной системы напряжений в симметричную n-фазную систему напряжений, которая преобразуется в выпрямленное напряжение с помощью полупроводникового коммутатора, подключающего максимально близкие к диаметру отводы круговой обмотки на сборные шины выпрямителя.
При выполнении внутреннего магнитопровода с открытым пазом кривая магнитного поля имеет явно выраженный несинусоидальный характер (фиг.6), который при отсутствии конструктивных мероприятий в трансформаторе (укорочение шага обмотки, выбор дробного числа пазов на полюс и фазу, применение полузакрытого паза), приводит к несинусоидальности первичных и вторичных напряжений, что было отмечено при расчетах и моделировании, а также подтверждено экспериментами.
При выполнении внутреннего магнитопровода с полузакрытым пазом и обмоток с укороченным шагом и дробным числом пазов на полюс и фазу кривая магнитного поля значительно приближается к синусоидальной форме (фиг.7). Одновременно с этим зубцовые гармонические составляющие, имеющие наибольшую величину по сравнению с основной гармоникой, смещаются в высокочастотную часть спектра и уменьшаются по амплитуде в 2-3 раза.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет по сравнению с прототипом получить конструкцию трансформатора, обладающего улучшенной электромагнитной совместимостью с питающей сетью и нагрузкой. При этом сокращаются магнитные потоки рассеяния лобовых частей первичной и вторичной обмоток, что позволяет увеличить установленную мощность трансформатора, повысить к.п.д. и коэффициент мощности.