Трансформатор преобразовательный трехфазный многообмоточный с замкнутой системой воздушного охлаждения

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к трансформаторостроению, и может быть использована в составе многоуровневых преобразователей частоты частотно-регулируемых приводов магистральных насосных агрегатов нефтепроводов.
Из уровня техники известен электромагнитный трансформатор, который имеет первичную и вторичную обмотки, размещенные соответственно на внешнем и внутреннем сердечниках для создания вращающегося электромагнитного поля. При подаче на первичную обмотку трехфазного напряжения образуется вращающееся магнитное поле, которое создает во вторичных обмотках несколько трехфазных напряжений. Первичная и вторичная обмотки соединяются в звезду или в треугольник. Вращающееся магнитное поле является симметричным по отношению к любой из вторичных обмоток. В этом главное преимущество трансформаторов на основе магнитопроводов, аналогичных конструкции статора трехфазных электродвигателей. Подобный входной трансформатор защищен патентом США US 7948340 «Трехфазный многообмоточный трансформатор», опубл. 05.03.2009, МПК H01F 27/24; H01F 30/14; H01F 2041/0662 (патент США на изобретение №5317299, патентообладатель - фирма «Sundstrand» (US), опубл. 31.05.1994, МПК H01F 30/12; H01F 33/00; H02J 3/00).
Недостатком трансформаторов с тороидальными магнитопроводами является сложность их изготовления на большие мощности (17 MBА и выше) с обеспечением заданных показателей надежности при работе в составе преобразователей частоты частотно-регулируемых приводов магистральных насосных агрегатов нефтепроводов.
Также известен многофазный трансформатор, в котором в качестве составной части в многоуровневом частотном преобразователе предлагается использование многофазного трансформатора. Данный трансформатор состоит из сердечника, первичной и вторичной обмоток. Магнитопровод набран из шихтованных пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга и соединенных между собой ярмом. Секции трехфазной первичной обмотки выполнены в виде одинаковых катушек, пропитанных изоляционным лаком в вакууме, витки которых образованы расщепленным медным проводником, представляющим собой несколько пластин, разделенных между собой диэлектриком, ширина пластин соответствует ширине окна магнитопровода, концы и начала изолированных пластин соединены между собой в выводы, при этом концы пластин соединены в звезду, а их начала образуют выводы первичной обмотки. Каждая из первичных обмоток представляет собой высоковольтный фильтр на входе многофазного трансформатора, вторичные обмотки каждой из фаз имеют одинаковое количество витков, выполненных из медного расщепленного проводника, круглого или прямоугольного сечения. Каждая из обмоток охватывает стержень 3-стержневого магнитопровода и расположена на промежуточных диэлектрических держателях одна над другой по длине стержня для отдельно взятой фазы, начала вторичных обмоток являются выводами, концы обмоток объединены в звезду с нулевым выводом (патент РФ №113416, опубл. 10.02.2012, МПК H01F 30/12, H01F 27/245, H01F 27/28).
Описанную конструкцию можно считать типовой, однако она имеет ряд ограничений при выполнении трансформаторов на большие мощности и трансформаторов для преобразователей частоты с высокой степенью пульсности схемы выпрямления.
К основным ограничениям относятся:
высокие значения потерь в обмотках и магнитопроводе трансформатора; высокие значения добавочных потерь;
существенные значения токов короткого замыкания во вторичных обмотках трансформатора;
существенные броски тока намагничивания (сравнимы по величине с токами короткого замыкания) в момент постановки трансформатора под напряжение; сложности в организации эффективного отвода тепла от нагретых элементов трансформатора большой протяженности;
трудности при размещении многочисленных отводов вторичных обмоток в главном изоляционном канале с учетом требований к электрической прочности обмоток трансформатора и требований к показателям надежности трансформатора.
Техническая проблема, на решение которой направлена полезная модель, заключается в разработке трехфазного преобразовательного многообмоточного трансформатора мощностью 17 МВА на класс напряжения 10 кВ с замкнутой системой воздушного охлаждения, обеспечивающего функционирование преобразователя частоты с высокой пульсностью схемы выпрямления.
Технический результат, достигаемый при реализации полезной модели, заключается в повышении надежности трехфазного преобразовательного многообмоточного трансформатора, обеспечивающего работоспособность многоуровневого преобразователя частоты типа Perfect Harmony WCIII фирмы «Siemens» для частотно-регулируемых электроприводов магистральных насосных агрегатов нефтепроводов.
Указанный технический результат достигается за счет того, что трансформатор преобразовательный трехфазный многообмоточный с замкнутой системой воздушного охлаждения содержит трехстержневой магнитопровод, трехфазную первичную обмотку и многофазную вторичную обмотку, причем магнитопровод выполнен наборным из пластин из анизотропной электротехнической стали с шихтовкой типа «Step-lap»; первичная обмотка выполнена внутренней и охватывает стержни магнитопровода; вторичная обмотка выполнена внешней, охватывает снаружи первичную обмотку и располагается от нее на расстоянии, обеспечивающем заданную электрическую прочность воздушного промежутка; дополнительно снабжен обмоткой предварительного заряда силовых ячеек преобразователя частоты, расположенной внизу стержня магнитопровода под первичной и вторичной обмотками; первичная, вторичная обмотки и обмотка предварительного заряда силовых ячеек преобразователя частоты выполнены из медного транспонированного провода с арамидной изоляцией, при этом элементарные проводники транспонированного провода покрыты эмалевой изоляцией и слоем эпоксидного клеящего лака; в магнитопроводе, первичной и вторичной обмотках выполнены каналы охлаждения, при этом под обмотками трансформатора размещены по меньшей мере две полые ярмовые балки, предназначенные для подачи охлаждающего воздуха в вышеупомянутые каналы охлаждения; трансформатор помещен в кожух для обеспечения замкнутой системы воздушного охлаждения, которая включает в себя центробежный вентилятор, соединенный посредством трубопроводов с полыми ярмовыми балками, выполненными с возможностью направленной подачей охлаждающего воздуха в каналы охлаждения первичной и вторичной обмоток и снабженными воздуховодами, предназначенными для подачи охлаждающего воздуха в каналы охлаждения магнитопровода, при этом в верхней части кожуха выполнены выходные отверстия, над которыми размещены концентраторы воздушного потока для отвода нагретого воздуха от охлаждаемых частей трансформатора, воздухоохладитель, соединенный с кожухом посредством трубопровода с возможностью приема нагретого воздуха и с центробежным вентилятором посредством трубопровода с возможностью подачи охлажденного воздуха.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели мощность обмотки предварительного заряда составляет не менее 1% от полной мощности трансформатора, а напряжение питания составляет 380 В.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели углы отставания для секций вторичных обмоток равны +25°, или +15°, или +5°, или -5°, или -15°, или -25°.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели вторичная обмотка располагается от первичной обмотки на расстоянии, обеспечивающем электрическую прочность воздушного промежутка не менее 28 кВ.
3
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели центробежный вентилятор имеет производительность 13200 м/час.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели первичная, вторичная обмотка и магнитопровод снабжены датчиками температуры.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели в качестве датчика температуры используются оптоволоконные датчики температуры.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели центробежный вентилятор снабжен приводом, выполненным с возможностью регулирования частоты вращения вентилятора в зависимости от температуры нагрева первичной, вторичной обмоток и магнитопровода.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели по высоте стержня магнитопровода вторичная обмотка разделена на отдельные секции, объединенные в группы, причем разные секции вторичной обмотки внутри одной группы имеют различное число витков, обеспечивающих заданные углы отставания, кроме того, секции вторичной обмотки с заданными углами отставания расположены в одинаковой последовательности внутри каждой из групп, а обмотки одной секции, расположенные на разных стержнях магнитопровода, имеют одинаковое число витков, при этом вторичная обмотка располагается от первичной обмотки на расстоянии, обеспечивающем необходимую электрическую прочность воздушного промежутка.
Заявленная конструкция трансформатора поясняется чертежами:
- на фиг. 1 показан трансформатор (вид слева, разрез);
- на фиг. 2 показана вентильная обмотка (разрез);
- на фиг. 3 показана принципиальная схема основных составных частей трансформатора.
На фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3 обозначено:
1 - магнитопровод;
2 - первичная обмотка;
3 - вторичная обмотка;
4 - обмотка предварительного заряда;
5 - секция вторичной обмотки;
6 - группа секций вторичной обмотки;
7 - отвод секции вторичной обмотки;
8 - направленный воздушный поток;
9 - кожух;
10 - центробежный вентилятор;
11 - гибкий трубопровод;
12 - распределительный элемент;
13 - нижняя ярмовая балка;
14 - воздуховод;
15 - нагретый воздух;
16 - конический элемент трубопровода;
17 - трубопровод;
18 - воздухоохладитель;
19 - охлажденная жидкость;
20 - нагретая жидкость;
21 - линейный отвод первичной обмотки;
22 - охлаждающий воздух.
Магнитопровод 1 трансформатора (фиг. 1) выполнен трехстержневым и изготовлен из анизотропной электротехнической стали с шихтовкой пластин типа «Step-Lap», что обеспечивает снижение значений тока и потерь холостого хода. Магнитопровод 1 имеет каналы охлаждения (на чертежах не показаны) для прохождения охлажденного воздуха системы воздушного охлаждения и покрывается лаком, что предохраняет его от коррозии.
Первичная 2, вторичная 3 обмотки и обмотка 4 предварительного заряда силовых ячеек преобразователя частоты (далее - обмотка 4 предварительного заряда) имеют открытые вертикальные и горизонтальные каналы охлаждения (на чертежах не показаны) для прохождения охлажденного воздуха системы воздушного охлаждения. В предпочтительном варианте реализации полезной модели вышеуказанные обмотки выполнены из медного транспонированного провода с арамидной изоляцией, элементарные проводники которого покрыты эмалевой изоляцией и слоем эпоксидного клеящего лака для последующей высокотемпературной полимеризации провода, что позволяет уменьшить потери короткого замыкания и повысить стойкость трансформатора к токам короткого замыкания.
Первичная обмотка 2 и обмотка 4 предварительного заряда имеют схему соединения «звезда», а вторичная обмотка 3 реализована по схеме соединения «треугольник с продолженными сторонами». Вторичная обмотка 3 состоит из восемнадцати секций 5 вторичной обмотки, каждая из которых расположена на трех стержнях магнитопровода 1.
В качестве изоляции при изготовлении обмоток трансформатора используется арамидная бумага, которая обладает высокой электрической и механической прочностью, хорошей стойкостью к химическим продуктам и повышенной нагревостойкостью, не воспламеняется и не поддерживает горение. Арамидная бумага имеет низкую гигроскопичность при увеличении влажности окружающей среды, что важно для поддержания высокой электрической прочности изоляции.
Первичная обмотка 2 выполнена внутренней и располагается непосредственно возле стержня магнитопровода 1, охватывая его. Вторичная обмотка 3 выполнена внешней, охватывает снаружи первичную обмотку 2 и располагается от нее на расстоянии, обеспечивающем необходимую электрическую прочность воздушного промежутка, предпочтительно не менее 28 кВ, что обеспечивает электрическую безопасность трансформатора при эксплуатации. При большом количестве секций 5 вторичной обмотки данное расположение позволяет выполнять сложные схемы соединения обмоток (в разработанном трансформаторе реализована схема соединения «треугольник с продолженными сторонами»), а также осуществлять присоединение кабелей преобразователя частоты (на чертежах не показан) к отводам секций 5 вторичной обмотки с учетом требований безопасности, надежности и простоты обслуживания. Реализация внешнего расположения вторичной обмотки 3 по отношению к первичной обмотке 2 позволяет повысить надежность трансформатора за счет улучшения условий охлаждения обмоток и повышения электрической прочности воздушного промежутка между первичной 2 и вторичной 3 обмотками за счет переноса из пространства между первичной 2 и вторичной 3 обмотками кабелей для соединения преобразователя частоты и отводов секций вторичной обмотки 3 и их схемных перемычек (на чертежах не показаны). Дополнительным положительным эффектом является простота обслуживания контактных соединений отводов секции вторичных обмоток 3.
По высоте стержня вторичная обмотка 3 (фиг. 2) разделена на самостоятельные обмотки - секции 5 вторичной обмотки, которые вдоль стержня магнитопровода 1 выделяются в группы 6 секций вторичной обмотки. Разные секции 5 вторичной обмотки внутри одной группы 6 имеют различное число витков для достижения различных групп 6 соединения с заданными углами отставания. В разработанном трансформаторе заданы следующие углы отставания для секций 5 вторичной обмотки: +25°, +15°, +5°, -5°, -15°, -25°. Секции 5 вторичной обмотки с заданными углами отставания расположены в одинаковой последовательности внутри каждой из групп 6. Обмотки одной секции 5 вторичной обмотки, расположенные на разных стержнях магнитопровода 1, имеют одинаковое число витков.
Также трансформатор включает в себя обмотку 4 предварительного заряда, которая представляет собой дополнительную маломощную обмотку, предназначенную для предварительного заряда силовых ячеек преобразователя частоты (на чертежах не показан) и исключения броска тока намагничивания в момент постановки трансформатора под напряжение. Обмотка 4 предварительного заряда рассчитана на кратковременный режим работы, по конструкции аналогична первичным 2 и вторичным 3 обмоткам и располагается внизу стержней магнитопровода 1 под всеми остальными обмотками 2 и 3. Включение в конструкцию трансформатора обмотки предварительного заряда 4 позволяет изготавливать трансформаторы большой мощности без использования в составе преобразователя частоты дополнительных трансформаторов, предназначенных для предотвращения бросков тока намагничивания в момент пуска, что позволяет повысить стойкость трансформатора к электродинамическим воздействиям и, следовательно, повысить надежность трансформатора. Для эффективного отвода большого количества тепла от нагретых протяженных элементов трансформатора требуется подача направленного охлажденного воздушного потока в каналы обмоток 2, 3, 4 и магнитопровода 1.
В целях предотвращения нагрева воздуха в помещении, в котором установлен трансформатор, охлаждение нагревающихся частей трансформатора (обмотки 2, 3, 4 и магнитопровода 1) организовано по замкнутому контуру внутри кожуха 9, в который помещен трансформатор.
Кожух 9 конструктивно состоит из секций со съемными панелями (на чертежах не показаны), что облегчает монтаж и обслуживание трансформатора на месте его эксплуатации. Степень защиты кожуха 9 трансформатора соответствует IP54.
Система охлаждения трансформатора (фиг. 3) включает в себя центробежный вентилятор 10, соединенный гибким трубопроводом 11 с распределительным устройством 12, который в свою очередь соединен гибким трубопроводом 11 с полыми ярмовыми балками 13, снабженные воздуховодами 14, размещенными под обмотками 2, 3, 4 трансформатора, воздухоохладитель 18, который соединен трубопроводом 17 и гибким трубопроводом 11 с кожухом 9 и гибким трубопроводом 11 с центробежным вентилятором 10.
В верхней части кожуха 9 над охлаждаемыми частями трансформатора выполнены выходные отверстия (на чертежах не показаны), над которыми установлены конические элементы - концентраторы 16 воздушного потока. В предпочтительном варианте реализации полезной модели в отверстия могут быть установлены защитные решетки (на чертежах не показаны) с размером ячеек, достаточным для предотвращения попадания посторонних элементов в обмотки 2, 3, 4 при монтажно-демонтажных работах с системой охлаждения. В предпочтительном варианте реализации полезной модели для эффективного охлаждения нагретого воздуха 15 целесообразно использовать воздухоохладитель 17 типа «Воздух-Жидкость». Охлажденная жидкость 19 и нагретая жидкость 20 подаются в воздухоохладитель 17 и отводятся из воздухоохладителя 17 насосами системы охлаждения преобразователя частоты (на чертежах не показано). Охлаждение нагретой жидкости 22 осуществляется в охладителе системы охлаждения преобразователя (на чертежах не показано).
Интенсивность охлаждения нагретого воздуха 15 регулируется изменением частоты вращения центробежного вентилятора 10 посредством реализации частотного регулирования электрического привода центробежного вентилятора (на чертежах не показано).
В целях контроля температурного состояния трансформатора в магнитопроводе 1 и обмотках 2, 3 в местах наибольшего нагрева устанавливаются датчики температуры (на фиг. 1, 2, 3 не показаны), информация с датчиков температуры выводится в шкаф контроля температуры (на фиг. 1, 2, 3 не показан) с возможностью отображения поступающей информации на дисплее.
Охлаждение нагревающихся частей трансформатора организовано по замкнутому циклу внутри кожуха 9 трансформатора без забора воздуха из помещения установки преобразователя частоты, что исключает возможность попадания и оседания механических частиц, содержащихся в воздухе помещения установки ПЧ (на фиг. 1, 2, 3 не показано), на токопроводящих элементах активной части трансформатора (на фиг. 1, 2, 3 не показана).
Применение полых ярмовых балок 13 с воздуховодами 14 для организации эффективного теплоотвода с поверхностей нагревающихся частей 1, 2, 3, 4, трансформатора, имеющих большую протяженность, позволяет повысить надежность преобразовательных трансформаторов больших мощностей с воздушной системой охлаждения.
Реализация охлаждения трансформатора по замкнутому циклу внутри кожуха 9 позволяет исключить возможность попадания и оседания механических частиц, содержащихся в воздухе помещения установки ПЧ, на токопроводящих элементах активной части трансформатора.
Трансформатор работает следующим образом.
При постановке трансформатора под напряжение на линейные отводы 21 первичной обмотки подается трехфазное напряжение промышленной частоты. Протекающий по первичной обмотке 2 ток намагничивания создает в магнитопроводе 1 переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, наводит во вторичной обмотке 3 электродвижущую силу. При этом первичная обмотка 2, соединенная по схеме «звезда», является фильтром высших гармоник. При подключении отводов вторичной обмотки 3, соединенных по схеме «треугольник с продолженными сторонами», к преобразователю частоты в секциях 5 вторичной обмотки возникает ток, пропорциональный нагрузке.
Поскольку нагрузкой для вторичной обмотки 3 являются конденсаторы схемы выпрямления преобразователя частоты (на чертежах не показаны), то в момент подачи напряжения на трансформатор ток намагничивания достигает значений, сопоставимых с токами короткого замыкания (разряженные конденсаторы схемы выпрямления фактически находятся в режиме короткого замыкания). При выполнении трансформатора на большие мощности значение тока намагничивания становится значительным, что ведет к увеличению амплитуды бросков тока намагничивания и, как следствие, увеличению амплитуды электродинамических усилий, действующих на обмотки трансформатора, что существенно снижает надежность трансформатора.
В целях повышения надежности в конструкцию трансформатора включена маломощная обмотка 4 предварительного заряда. Перед подачей на первичную обмотку 2 трехфазного напряжения промышленной частоты производится подача трехфазного напряжения промышленной частоты на обмотку 4 предварительного заряда, при этом номинальное значение напряжения может соответствовать напряжению, подаваемому на первичную обмотку, либо может быть снижено до значения менее 1 кВ, что позволит упростить конструкцию и повысить надежности трансформатора. В разработанном трансформаторе обмотка 4 предварительного заряда рассчитана на номинальное напряжение 380 В, а мощность данной обмотки выбирается исходя из условия обеспечения заряда конденсаторов силовых ячеек преобразователя частоты. В разработанном трансформаторе мощность обмотки предварительного заряда 4 составляет не более 1% от полной мощности трансформатора. По завершении заряда конденсаторов схемы выпрямления преобразователя частоты напряжение с обмотки 4 предварительного заряда снимается, одновременно производится подача напряжения на линейные отводы первичной обмотки 2 и последующее преобразование данного напряжения во вторичной обмотке 3.
Работа системы охлаждения осуществляется следующим образом.
Центробежный вентилятор 10 нагнетает охлаждающий воздух 22 по гибкому трубопроводу 11 в распределительный элемент 12, из которого по гибкому трубопроводу 11 охлаждающий воздух подается в полые нижние ярмовые балки 13, по которым в виде направленного воздушного потока 8 подводится к каналам охлаждения нагревающихся элементов трансформатора (обмоткам 2, 3, 4), а посредством воздуховодов 14 - к каналам охлаждения магнитопровода 1. Далее пройденный по каналам охлаждения элементов трансформатора нагретый воздух 15 через выходные отверстия, выполненные в верхней части кожуха 9, и концентраторы 16 посредством гибких трубопроводов 11, подсоединенных к трубопроводу 17, поступает в воздухоохладитель 18, где охлаждается и вновь нагнетается центробежным вентилятором 10 по гибкому трубопроводу 11 в распределительный элемент 12. Далее процесс охлаждения элементов трансформатора 1, 2, 3, 4 циклично повторяется. Для создания направленного воздушного потока 8 к обмоткам 2, 3, 4 трансформатора в предпочтительном варианте реализации полезной модели на поверхности нижних ярмовых балок 13 выполнены отверстия (на чертежах не показаны), которые при установке балок 13 размещаются напротив каналов охлаждения. Направление воздушного потока 8 регулируется при помощи заслонок с регулируемых углом наклона (на фиг. 1, 2, 3 не показаны), установленных в вышеупомянутых отверстиях. Также к ярмовым балкам 13 крепятся воздуховоды 14, предназначенные для подачи охлаждающего воздуха к каналам охлаждения магнитопровода 1. Воздуховоды 14 представляют собой патрубок, соединенный с ярмовой балкой 13 болтовыми соединениями.
Пуск центробежного вентилятора 10, нагнетающего охлаждающий воздух 22 к нагревающимся элементам 1, 2, 3, 4 трансформатора, производится при достижении температуры первичной обмотки 2, вторичной обмотки 3 и/или магнитопровода 1 некоторой заданной (фиксированной) температуры, которая фиксируется датчиками температуры (на чертежах не показаны). При снижении температуры нагреваемых частей трансформатора частота вращения центробежного вентилятора уменьшается за счет реализации частотного регулирования электрического привода центробежного вентилятора (на фиг. 1, 2, 3 не показаны), а при достижении некоторого установленного минимального значения температуры первичных/вторичных обмоток 2, 3 или магнитопровода 1 производится полное отключение центробежного вентилятора 10.
Предложенная система воздушного охлаждения позволяет изготавливать трансформаторы большой мощности, избежать затрат на реконструкцию системы вентиляции и кондиционирования помещения установки преобразователя, а также исключает возможность попадания и оседания механических частиц, содержащихся в воздухе помещения установки преобразователя частоты, на токопроводящих элементах активной части трансформатора (на чертежах не показано).
Применение предложенных технических решений позволяет изготавливать трансформаторы трехфазные преобразовательные многообмоточные большой мощности для работы в составе преобразователя частоты с высокой пульсностью схемы выпрямления и обеспечивает высокую надежность изделия.
Проведенные испытания разработанного трансформатора трехфазного преобразовательного многообмоточного мощностью 17 МВА на класс напряжения 10 кВ в условиях испытательной лаборатории, последующие испытания на объекте эксплуатации в составе ПЧ и проведенная опытно-промышленная эксплуатация подтвердили высокий уровень надежности и эффективности трансформатора и принятых технических решений. В ходе испытаний было установлено, что номенклатура показателей надежности по ГОСТ 27.003-90 соответствует следующим показателям: установленная наработка на отказ - не менее 40000 часов, назначенный ресурс - 340000 часов, вероятность безотказной работы на наработку 8800 часов - не менее 0,995, срок службы - не менее 40 лет.
Полезная модель обеспечивает надежное бесперебойное функционирование эксплуатируемых на объектах трубопроводной системы «ВСТО-1» ОАО АК «Транснефть» преобразователей частоты типа Perfect Harmony WCIII.