ТРАНСФОРМАТОР ДЛЯ УСТАНОВКИ ПОД ПОЛОМ
UNDERFLOOR TRANSFORMER

Изобретение относится к трансформатору для установки под полом, включающему в себя шихтованный сердечник трансформатора и по меньшей мере одну электрическую обмотку, пронизанную им вдоль оси стержня сердечника.
Общеизвестно, что для передачи электрической энергии служат соответствующие проводные сети электроснабжения. В зависимости от передаваемой электрической мощности они имеют номинальное напряжение, равное, например, 380 кВ, 110 кВ или же 10 кВ, при этом обычно используется сетевая частота, равная 50 или, соответственно, 60 Гц. Сеть электроснабжения для снабжения стационарных электропотребителей обычно является трехфазной, то есть имеется в распоряжении система с тремя линиями электроснабжения, в которых в симметричном состоянии ток и напряжение при смещении фаз, составляющем в каждом случае 120° относительно друг друга, равны по величине.
Системы энергоснабжения для мобильных электропотребителей, таких как, например, железнодорожный транспорт или трамваи, являются однофазными, то есть снабжение происходит через отдельную линию электроснабжения, причем обратная линия реализуется в этом случае посредством металлических рельсов. У троллейбусов из-за отсутствия рельсов, используемых в качестве обратных линий, как правило, предусмотрено две линии электропередачи. Обычно сетевая частота в таких случаях применения составляет по меньшей мере в Европе 16 2/3, 25, 50 или 60 Гц, в некоторых случаях, как, например, у трамваев, отдельно применяется также постоянное напряжение.
Для трансформации обычного переменного напряжения питания, равного от 10 кВ до 15 кВ, предусмотрены мобильные трансформаторы, которые в этом случае интегрируются, например, в область под полом пассажирского поезда.
Вследствие расположения под полом для них имеется в распоряжении лишь очень ограниченное пространство, в частности, в отношении высоты, и чаще всего они выполнены в виде масляных трансформаторов. Масло служит при этом, с одной стороны, в качестве охлаждающего средства для отвода избыточного тепла, выделяющегося при эксплуатации, а также в качестве изоляционного средства, с помощью которого могут реализовываться меньшие изоляционные промежутки и вместе с тем компактная конструкция.
Недостатком при этом является, однако, то, что такого рода трансформатор по механическим причинам чаще всего может располагаться только вертикально, то есть с вертикально ориентированной осью стержня, что, однако, не соответствует небольшой вместимости в области под полом. К тому же в целях безопасности следует по возможности избегать применения в транспортном средстве масла как горючей среды. При горизонтальном расположении имеющееся в распоряжении место используется гораздо лучше, однако с механической точки зрения возникают трудности с усилием сжатия обмотки, расположенной в этом случае в горизонтальном положении, посредством которой воспринимается вес сердечника. Известны также варианты осуществления изобретения с сухими трансформаторами, которые, однако, вследствие проблем, связанных с усилием сжатия обмоток, также расположены горизонтально, причем в данном случае из-за отсутствия масла необходимо дополнительно обеспечивать усиленное охлаждение.
Исходя из этого уровня техники, задачей изобретения является предложить располагаемый горизонтально сухой трансформатор для мобильных применений.
Эта задача решается с помощью сухого трансформатора вышеназванного рода. Он отличается тем, что в обеих осевых концевых областях сердечника трансформатора предусмотрено по одному механически взаимодействующему с ним крепежному приспособлению, которые рассчитаны на такую нагрузку растягивающим усилием, что трансформатор для установки под полом при приблизительно горизонтально ориентированной оси стержня может опираться на это крепежное приспособление в подвешенном положении.
Основная идея изобретения заключается в том, чтобы предусмотреть трансформатор для установки под полом для монтажа в подвешенном положении, при этом крепежные приспособления воздействуют непосредственно на оба осевых конца сердечника трансформатора, и предотвращается восприятие веса сердечника посредством по меньшей мере одной электрической обмотки, проходящей вдоль оси стержня. В ином случае, в горизонтальном положении, полая цилиндрическая обмотка рассчитана на усилие сжатия в радиальном направлении, то есть при расположении обмотки в горизонтальном положении монтажа в вертикальном направлении вниз. В частности, каналы охлаждения горизонтально расположенных сухих трансформаторов, предусмотренные вдоль оси стержня, не выдерживают весовую нагрузку, составляющую, например, до нескольких тонн, потому что, обычно в случае горизонтального расположения, ими должен восприниматься только собственный вес обмотки, причем в этом случае каналы охлаждения ориентированы вертикально и в конечном счете не испытывают никакую весовую нагрузку.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления трансформатора для установки под полом согласно изобретению смежные слои шихтованного сердечника трансформатора склеены друг с другом вдоль по меньшей мере одной оси стержня. В случае соответственного исполнения удлиненного сердечника трансформатора для установки под полом согласно изобретению при подвешивании за оба осевых конца сердечника может происходить прогиб стержня сердечника, который происходит как за счет собственного веса сердечника трансформатора, так и из-за веса обмотки. Благодаря шихтованному исполнению сердечника трансформатора его нагрузочная способность поперек оси стержня при горизонтальном расположении, а именно по сравнению с массивным сердечником, снижена, при этом, с другой стороны, неизбежна шихтовка стальных листов сердечника во избежание потерь от вихревых токов. Склеивание смежных слоев стальных листов, в частности, в области стержня трансформатора повышает механическую устойчивость стержня. В случае склеивания всех слоев стальных листов друг с другом нагрузочная способность стержня трансформатора примерно соответствует нагрузочной способности массивного, нешихтованного исполнения. При этом предпочтительным образом возможна также реализация вариантов осуществления удлиненного трансформатора для установки под полом согласно изобретению, например, с длиной сердечника, которая соответствует от 3- до 6-кратной ширине сердечника, без возникновения проблемы прогиба.
Другая возможность стабилизации сердечника трансформатора, в частности его стержней, заключается в том, чтобы шихтованный сердечник трансформатора по меньшей мере вдоль одной оси стержня имел по меньшей мере одну стабилизирующую пластину. Стабилизирующая пластина имеет повышенную по сравнению со стальным листом сердечника толщину, равную, например, от 3- до 10-кратной его толщины или нескольким миллиметрам. В зависимости от выбора материала стабилизирующей пластины там также возникают вихревые токи, которые, с другой стороны, вследствие низкого процентного содержания стабилизирующей пластины в поперечном сечении стержня являются, однако, почти пренебрежимо малыми. Однако возможно использование также не магнитных или электрически не проводящих материалов, таких как, например, композитные материалы, которые предпочтительным образом отличаются малым весом, что, в частности, предпочтительно для мобильных применений.
Из электрически проводящих материалов могут, в частности, применяться сталь или алюминий в качестве исходного материала для стабилизирующей пластины, при этом сталь имеет более высокую прочность, а алюминий более низкий вес. Чтобы достичь как можно более высокого использования имеющегося в распоряжении поперечного сечения стержня, по меньшей мере одна из стабилизирующих пластин граничит с наружным контуром шихтованного сердечника трансформатора. Дополнительная стабилизация стержня сердечника возможна благодаря изгибу по меньшей мере одной стабилизирующей пластины вокруг оси стержня. Аналогично, как и в случае профильных держателей, благодаря этому повышается эффективная толщина стабилизирующей пластины и вместе с тем ее прочность при прогибе. В данном случае также достигается повышенная прочность путем дополнительного склеивания стабилизирующей пластины с собственно сердечником трансформатора или, соответственно, стержнем трансформатора.
Соответственно другому варианту осуществления изобретения стабилизирующая пластина изготовлена из материала с пружинной характеристикой, например из пружинной стали. Изготовленная из нее стабилизирующая пластина в ненагруженном состоянии изогнута вверх вдоль оси стержня. Постоянная пружины выбрана таким образом, что при расположении стержня сердечника на поверхности пружины она под собственным весом стержня сердечника отжимается в горизонтальное положение. Благодаря такого рода натяжению смещения достигается дополнительный эффект опирания, а также демпфирования ударов.
Соответственно одному из предпочтительных вариантов осуществления трансформатора для установки под полом согласно изобретению по меньшей мере один стержень сердечника обмотан по меньшей мере одним слоем пропитанного смолой волокнистого ровинга. В качестве волокнистого ровинга используется, например, ленточный стекловолоконный ровинг, а в качестве смолы - эпоксидная смола. В затвердевшем состоянии пропитанный смолой стекловолоконный ровинг образует композитный материал с высокой прочностью, который в идеальном случае окружает стержень сердечника по всей его осевой протяженности и таким образом придает ему высокую прочность. Предпочтительным образом достаточно одного тонкого слоя толщиной, например, в 1 мм, чтобы достичь достаточно высокой прочности, так чтобы используемое для намагничивания поперечное сечение сердечника уменьшалось незначительно. К тому же такого рода композитные материалы отличаются низким весом.
Согласно другому варианту осуществления изобретения по меньшей мере одно из крепежных приспособлений имеет демпфирующий элемент. Это предпочтительно, в частности, для мобильных применений, например, в железнодорожных транспортных средствах. В данном случае вследствие поступательного движения железнодорожного транспортного средства постоянно происходят рывковые или толчкообразные движения, передающиеся через крепежные приспособления на трансформатор для установки под полом. Благодаря демпферу ударная нагрузка на трансформатор, а также на крепежные приспособления уменьшается, и он может рассчитываться на соответственно более низкую механическую нагрузку. В качестве демпферов могут использоваться, например, элементы из эластичного полимерного материала или резины. Они могут быть расположены таким образом, чтобы они нагружались либо на растяжение, либо на сжатие. Если крепежные приспособления выполнены, например, в виде резьбовых штанг, на которых посредством зажимного приспособления закреплен в подвешенном положении сердечник трансформатора, то демпфирующий элемент без затруднений может интегрироваться в одно из мест прерывания соответствующей резьбовой штанги, так что в этом случае он нагружен на растяжение.
По другому варианту изобретения сердечником трансформатора вдоль оси стержня проходят несколько смежных в осевом направлении электрических обмоток, при этом между смежными обмотками предусмотрено по меньшей мере одно дополнительное крепежное приспособление, взаимодействующее с сердечником трансформатора. Благодаря смежному расположению в осевом направлении нескольких соответственно полых цилиндрических сегментов обмотки на одном и том же стержне сердечника при соответствующем осевом расстоянии обеспечивается возможность механического воздействия на соответствующий стержень сердечника. Осевое расстояние в соответствии с изобретением должно выбираться так, чтобы в образовавшемся при этом зазоре, равном, например, от 5 см до 10 см, могло располагаться или, соответственно, было расположено крепежное приспособление, взаимодействующее со стержнем трансформатора. Таким образом создается дополнительная точка опоры нагрузки для стержня трансформатора, которая в этом случае, например, так же, как и точки опоры нагрузки на обоих осевых концах сердечника, опирается на находящуюся над ней несущую структуру. Напряжение изгиба для стержня трансформатора благодаря этому предпочтительным образом уменьшается. Разумеется, возможны также несколько дополнительных точек опоры нагрузки для каждого стержня трансформатора. При образовании электрической обмотки из нескольких сегментов обмотки должен выбираться надлежащий электрический вариант осуществления, например последовательное включение однотипных сегментов обмотки высшего напряжения и параллельное включение нескольких однотипных сегментов низшего напряжения.
В соответствии с изобретением без затруднений может также осуществляться распределение сегментов обмотки на несколько стержней сердечника, например на 2 или же 3, при этом стержни сердечника или, соответственно, их оси стержней в этом случае предпочтительным образом ориентированы параллельно. Таким образом получается основная форма трансформатора для установки под полом в виде прямоугольного параллелепипеда, которая соответствует также вместимости в области под полом также в виде прямоугольного параллелепипеда, так что имеющееся в распоряжении пространство используется особенно эффективным образом.
Названные преимущества трансформатора для установки под полом согласно изобретению распространяются также на рельсовое транспортное средство, имеющее область под полом, в которой в подвешенном положении на находящейся над ней несущей структуре расположен трансформатор для установки под полом. Разумеется, это относится также и к нерельсовым транспортным средствам, таким как троллейбусы или тому подобные.
Другие предпочтительные варианты осуществления изобретения содержатся в других зависимых пунктах формулы изобретения.
Изобретение, другие варианты осуществления и другие преимущества описываются более подробно с помощью изображенных на чертежах примеров осуществления, на которых показано:
фиг.1 - сечение приведенного в качестве примера трансформатора для установки под полом;
фиг.2 - поперечное сечение шихтованного стержня трансформатора;
фиг.3 - вид сверху второго приведенного в качестве примера трансформатора для установки под полом;
фиг.4 - сечение первой приведенной в качестве примера области сердечника, включающей в себя крепежное приспособление;
фиг.5 - сечение второй приведенной в качестве примера области сердечника, включающей в себя крепежное приспособление.
На фиг.1 показано сечение приведенного в качестве примера трансформатора 10 для установки под полом. Он включает в себя расположенный горизонтально сердечник 12 трансформатора со стержнями в количестве двух, вокруг которых расположены первая 14 и вторая 16 полые цилиндрические обмотки. Обмотки 14, 16 имеют каждая три находящихся в радиальном направлении отделенных каналами охлаждения, вставленных друг в друга полых цилиндрических сегмента обмотки. Сердечник 12 трансформатора закреплен в подвешенном положении посредством двух крепежных приспособлений 18, 20 на одном своем осевом конце, при этом на другом его осевом конце тоже предусмотрены два соответствующих крепежных приспособления, которые, однако, на этом чертеже не показаны. Крепежные приспособления 18, 20 выполнены в виде резьбовых штанг, нижний конец которых проходит сквозь соответствующую выполненную в виде отверстия выемку через сердечник 12 трансформатора шихтованного исполнения. Соединение с силовым замыканием резьбовых штанг 18, 20 с сердечником 12 трансформатора реализовано посредством зажимных приспособлений 26, 28, которые зажимают сердечник 12 трансформатора между верхней и нижней стороной, подобно контргайке. Трансформатор расположен в прямоугольном корпусе 30, который, с одной стороны, служит для механической защиты трансформатора, а с другой стороны, также для направления охлаждающего воздуха вдоль обмоток 14, 16. Соответствующая система охлаждения на этом чертеже, однако, не показана. В этом примере перегородка 32 расположена между левой и правой половиной трансформатора, при этом в не показанной задней области предусмотрен переход между образованными таким образом каналами, так что получается U-образное направление охлаждающего воздуха через корпус 32 трансформатора. Восприятия веса сердечника трансформатора или веса катушек посредством корпуса 32 не происходит.
На фиг.2 показано поперечное сечение 40 шихтованного стержня 42 трансформатора, который, со своей стороны, имеет множество электрически изолированных стальных листов, расположенных в слоях 48, 49 сердечника. На верхней стороне стержня 42 трансформатора предусмотрена изогнутая вокруг оси стержня 42 трансформатора стабилизирующая пластина 44 из алюминия, которая склеена со стержнем 42 трансформатора. Благодаря изгибу стабилизирующей пластины 44 образован профиль, который придает стабилизирующей пластине 44 и вместе с тем также соединенному с ней стержню 42 трансформатора повышенную устойчивость к прогибу. На нижней стороне предусмотрена соответствующая стабилизирующая пластина 46. Изогнутая форма стабилизирующих пластин 44, 46 согласуется с полым цилиндрическим внутренним пространством не показанной обмотки, окружающей стержень 40 трансформатора, так что в результате благодаря стабилизирующим пластинам 44, 46 на активной поверхности поперечного сечения сердечника не возникает значительной потери.
На фиг.3 показан вид сверху горизонтального второго приведенного в качестве примера трансформатора 50 для установки под полом. Он имеет сердечник 52 трансформатора, включающий в себя три параллельных стержня сердечника, проходящих вдоль каждой из осей 76, 78, 80 стержня. На каждом стержне сердечника расположено по две смежных пронизанных им полых цилиндрических обмотки 54, 56, 58, 60, 62, 64, при этом между соответствующими парами обмоток образована подобная зазору промежуточная область 86, в которой обеспечивается возможность механического доступа к сердечнику 52 трансформатора. В также механически доступных осевых концевых областях 82, 84 сердечника трансформатора так же, как в осевой промежуточной области 86, предусмотрены по три детали 66, 68, 70, 72, 74 крепежного приспособления, на которых сердечник 52 трансформатора может крепиться в подвешенном положении. Детали 66, 68, 70, 72, 74 крепежного приспособления выполнены в виде стержней и пропущены сквозь соответствующие согласованные с ними по поперечному сечению отверстия через сердечник трансформатора и механически соединены с ним, например, с помощью не показанного тарельчатого утолщения деталей 66, 68, 70, 72, 74 крепежного приспособления, выполненных в виде стержней, в их соответствующей нижней области. Опционально на верхней стороне сердечника 52 трансформатора предусмотрено фиксирующее устройство.
На фиг.4 показано сечение 90 первой приведенной в качестве примера области 92 сердечника, включающей в себя крепежное приспособление 94. Сердечник трансформатора на этом участке закреплен в подвешенном положении на несущей структуре 100. Крепежное приспособление 94 имеет нагружаемый на растяжение демпфер 96, который, например, изготовлен из слегка эластичного полимерного материала. Соединение между крепежной структурой 94, выполненной в виде резьбовой штанги, и несущей структурой осуществляется в этом случае посредством отверстия, сквозь которое проходит резьбовая штанга, и крепежного приспособления 98, например гайки, закрепленной на резьбовой штанге. Крепежное приспособление 98 в своей нижней области выполнено U-образно, зажимает стальные листы показанного поперечного сечения 92 области сердечника и образует таким образом соединение с силовым замыканием с сердечником трансформатора.
На фиг.5 показано сечение 110 второй приведенной в качестве примера области 112, 114 сердечника, включающей в себя выполненное Т-образно висящее крепежное приспособление 116, на обе Т-образные полки которого опираются стержни 112, 114. Такой пример крепежного приспособления 116 предпочтителен, в частности, при разделенных в осевом направлении обмотках, причем в данном случае происходит дополнительное опирание стержней сердечника в осевой промежуточной области между смежными обмотками. Т-образное крепежное приспособление 116 в своей верхней области проходит через отверстие находящейся над сердечником трансформатора несущей структуры 122, например части пола рельсового транспортного средства, и закреплено в несущей структуре посредством крепежного средства 120. Между крепежным средством 120 и верхней стороной несущей структуры 122 предусмотрен нагружаемый на сжатие демпфер 118, который предпочтительным образом демпфирует передачу толчков несущей структуры 122 на сердечник трансформатора, так что происходит механическая разгрузка трансформатора и его крепежной структуры 116, в частности, даже при неизбежных вибрациях рельсового транспортного средства. Также демпфируется и передача на рельсовое транспортное средство, например, вибраций трансформатора с частотой 50 Гц, обусловленных его эксплуатацией.
Список ссылочных обозначений
10 Сечение приведенного в качестве примера трансформатора для установки под полом
12 Первый сердечник трансформатора
14 Первая обмотка первого сердечника трансформатора
16 Вторая обмотка первого сердечника трансформатора
18 Первое крепежное приспособление первого сердечника трансформатора
20 Второе крепежное приспособление первого сердечника трансформатора
22 Демпфер первого крепежного приспособления
24 Демпфер второго крепежного приспособления
26 Зажимное приспособление первого крепежного приспособления
28 Зажимное приспособление второго крепежного приспособления
30 Корпус трансформатора
32 Перегородка
40 Поперечное сечение шихтованного стержня трансформатора
42 Шихтованный стержень трансформатора
44 Верхняя стабилизирующая пластина
46 Нижняя стабилизирующая пластина
48 Первый слой сердечника
49 Второй слой сердечника
50 Вид сверху второго приведенного в качестве примера трансформатора для установки под полом
52 Второй сердечник трансформатора
54 Первая обмотка второго сердечника трансформатора
56 Вторая обмотка второго сердечника трансформатора
58 Третья обмотка второго сердечника трансформатора
60 Четвертая обмотка второго сердечника трансформатора
62 Пятая обмотка второго сердечника трансформатора
64 Шестая обмотка второго сердечника трансформатора
66 Первая деталь первого крепежного приспособления
68 Вторая деталь первого крепежного приспособления
70 Третья деталь первого крепежного приспособления
72 Первая деталь второго крепежного приспособления
74 Первая деталь третьего крепежного приспособления
76 Первая ось стержня
78 Вторая ось стержня
80 Третья ось стержня
82 Первая осевая концевая область
84 Вторая осевая концевая область
86 Осевая промежуточная область
90 Сечение первой приведенной в качестве примера области сердечника, включающей в себя крепежное приспособление
92 Ярмо сердечника трансформатора
94 Первое крепежное приспособление
96 Демпфер первого крепежного приспособления
98 Первое крепежное средство
100 Первая несущая структура
110 Сечение второй приведенной в качестве примера области сердечника, включающей в себя крепежное приспособление
112 Первый стержень сердечника трансформатора
114 Второй стержень сердечника трансформатора
116 Второе крепежное приспособление
118 Демпфер второго крепежного приспособления
120 Второе крепежное средство
122 Вторая несущая структура