СИЛОВОЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ СУХОЙ ТРЕХФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР ДЛЯ РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Полезная модель относится к областям электротехники и электрооборудования для железнодорожного транспорта, в частности к силовым сухим трансформаторам, а именно к силовым сухим высоковольтным трехфазным трансформаторам для рельсовых транспортных средств, преимущественно предназначенным для преобразования напряжения от инвертора, подключенного к контактной сети, и обеспечения стабилизированным пониженным напряжением переменного тока собственных потребителей рельсового транспортного средства. Заявляемый упомянутый трансформатор является вспомогательным трансформатором, который связывает вспомогательный импульсный инвертор, подключенный напрямую к тяговому промежуточному контуру, с локомотивной бортовой сетью трехфазного переменного тока с номинальным напряжением 380 В с частотой 50 Гц.
Полезная модель - силовой сухой высоковольтный трехфазный трансформатор для рельсового транспортного средства - предназначена для железнодорожного транспорта, а именно, электровоза 2ЭС7 (электровоз магистральный грузовой переменного тока) и электровоза 2ЭС10 (электровоз магистральный грузовой постоянного тока), эксплуатируемых в экстремальных условиях внешней среды, постоянно резко меняющихся температур воздуха и интенсивных механических воздействий за счет высокоскоростного движения железнодорожного транспорта.
Силовые трансформаторы необходимы в разных сферах человеческой деятельности для создания гальванической развязки электрических сетей и преобразования электроэнергии с дальнейшей ее подачей к конечному потребителю. Большим спросом пользуются трансформаторные устройства с алюминиевой и медной обмотками разной мощности. Применяют их как на социальных, так и на промышленных объектах. В последнее время большее предпочтение отдается силовым сухим трансформаторам с воздушно-барьерной изоляцией за счет их следующих выгодных качеств и преимуществ по сравнению с масляными трансформаторами:
- высокий уровень пожарной безопасности;
- экологическая чистота;
- безопасность эксплуатации;
- простота монтажа;
- минимальные затраты при эксплуатации;
- длительный срок службы.
Конструкции сухих трансформаторов с воздушно-барьерной изоляцией уступают масляным трансформаторам по нагревостойкости и нагрузочной способности (совокупности допустимых нагрузок и перегрузок). Анализ опыта использования существующих конструкций силовых сухих трансформаторов с воздушно-барьерной изоляцией показал, что при эксплуатации трансформатор подвергается значительным термическим нагрузкам, снижающим эксплуатационные показатели технических характеристик устройства. Низкие показатели эксплуатационных технических характеристик силовых сухих трансформаторов с воздушно-барьерной изоляцией обусловлены перегрузками по току (всплесками, пульсациями напряжения), возникающих по разным причинам. Во всех случаях возникает избыточный перегрев обмоток, магнитопровода, изоляции, токоотводов, вызывающий выгорание чрезмерно перегретых мест и приводящий к выходу из строя трансформатора. Избыточный перегрев этих элементов конструкции создает проблемы, без решения которых невозможно обеспечить стабильную работу трансформатора с получением высокого качества преобразуемой электроэнергии.
Качественная электроэнергия трансформатора оказывает существенное влияние на электрооборудование электровоза, в частности, на электрооборудование его кабины. Так, в кабине локомотива, например электровоза, размещено большое количество электрического оборудования, необходимого для управления электровозом в различных режимах ведения поезда, для наблюдения и контроля за состоянием узлов и агрегатов электровоза, пути, путевых сигналов, для осуществления поездной диспетчерской радиосвязи, а также электроприборы для создания нормальных санитарно-гигиенических условий, например, кондиционер. Названные электрические устройства достаточно чувствительны к качеству питающей их электроэнергии, стабильности параметров, существенные ухудшения которых вызывают снижение сроков службы и увеличение интенсивности отказов упомянутого оборудования.
Таким образом, является очевидным тот факт, что для безопасной и долгосрочной бесперебойной работы электровоза, так и технических средств, размещенных в локомотиве, необходим высоконадежный по конструкции силовой сухой высоковольтный трехфазный трансформатор для рельсовых транспортных средств, обеспечивающий подачу собственным потребителям бортовой сети необходимого качества стабильной электроэнергии.
Для данного уровня техники известных конструкций силовых сухих высоковольтных трансформаторов актуальным является решение ряда конструктивных технических проблем, связанных с созданием конструкций трансформаторов, способных противостоять серьезным электромеханическим, термическим и токовым перегрузкам при эксплуатации.
Широко известны различные конструкции силовых сухих высоковольтных трансформаторов, в которых представлены технические решения, направленные на повышение способности устройства противостоять чрезмерному или экстремальному нагреву ряда конструктивных элементов.
Например, известен электрический трансформатор (патент РФ на изобретение №2453010, МПК H01F 27/34, опубликован 20.07.2011, бюл. №20, патентообладатель: СИМЕНС ТРАНСФОРМЕЗ ОСТРИА ГМБХ УНД КО КГ (AT), в котором решена задача по уменьшению нагревания сердечника и снижению эмиссии помех, обусловленные дополнительным постоянным магнитным потоком в сердечнике, вызывающем сильные искажения тока намагничивания и повышенное нагревание сердечника.
Известно, что в электрическом трансформаторе, который эксплуатируется в соединении с выпрямителем тока, ввиду неизбежных неточностей при управлении мощными полупроводниковыми переключателями возникает токовая составляющая, которая накладывается на рабочий ток трансформатора. Эта дополнительная токовая составляющая представляет лишь несколько промилле номинального тока трансформатора, однако обуславливает возникновение в сердечнике трансформатора добавочного постоянного магнитного потока, который накладывается на первичный или вторичный переменный поток, и обуславливает несимметричное управление ВН-характеристикой (током высшего напряжения) ферромагнитного материала сердечника. При этом даже незначительная составляющая постоянного магнитного потока ввиду высокой проницаемости ферромагнитного материала сердечника может вызвать насыщение сердечника и сильные искажения тока намагничивания. Следствиями этого несимметричного управления являются повышенные магнитные потери, вызывающие повышенное нагревание сердечника, а также пики (всплески) тока намагничивания, которые обуславливают повышенную эмиссию промышленных помех.
Этот известный электрический трансформатор с компенсацией постоянного потока имеет магнитомягкий сердечник, на котором, дополнительно к первичной и вторичной обмоткам, размещена компенсационная обмотка. Эта обмотка связана с устройством управления током, которое согласно управляющему сигналу, который предоставляет устройство измерения магнитного поля из измерения магнитного потока, связанного с током в первичной или вторичной обмотках, вводит в компенсационную обмотку компенсационный ток таким образом, что его действие в сердечнике направлено противоположно магнитному постоянному потоку. В состав данного известного изобретения также входят два управляемых источника тока, устройство измерения магнитного поля, включающее блок обработки сигналов с двумя детекторами магнитного поля, а также ряд аналоговых и цифровых функциональных устройств. Результатом применения этих средств в известном трансформаторе явилось то, что определенный из измерения магнитного поля трансформатора показатель позволил сформировать управляющую величину, которая используется для того, чтобы определять и компенсировать средствами измерительной техники дополнительную составляющую постоянного магнитного потока с возможностью поддержания на низком уровне нагревание сердечников трансформатора.
Однако данная известная конструкция имеет ряд следующих существенных недостатков. Известное устройство не является компактным и его невозможно разместить на достаточно ограниченном пространстве. Это устройство сложно в эксплуатации. Также это устройство содержит множество дополнительных исполнительных блоков, которые потребляют значительную энергию, приводят к увеличению конструктивных размеров, повышают затраты на изготовление, увеличивают воздействие дополнительных вредных помех и перегрев обмоток катушек.
Также эти недостатки препятствуют эффективному применению данной известной конструкции трансформатора в условиях наличия постоянных перепадов температур окружающего воздуха, интенсивных механических воздействий.
Известны конструкции трансформаторов с улучшенным качеством преобразуемой электроэнергии. Так, известен многофазный трансформатор (патент РФ на полезную модель №113416, МПК H01F 30/12, опубл. 10.05.2012, бюл. 4), предназначенный для использования в многофазных статических преобразователях электрической энергии. В этом известном устройстве решена задача по улучшению качества электроэнергии, а также обеспечена защита от влияния токов высоких гармоник на питающую сеть. Поставленная задача решена так, что в известном многофазном трансформаторе, содержащем магнитопровод, трехфазную первичную обмотку и многофазную вторичную, магнитопровод набран из шихтованных пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга, 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 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, при этом каждая из обмоток охватывает стержень трехстержневого магнитопровода и расположены они на промежуточных диэлектрических держателях одна над другой по длине стержня для отдельно взятой фазы, начала вторичных обмоток являются выводами, а концы обмоток объединены в звезду с нулевым выводом. За счет того, что первичная обмотка закрывает окно сердечника магнитопровода непрерывным проводящим листом, происходит обеспечение равномерного распределения электрического поля.
Однако данная известная конструкция трансформатора имеет ряд следующих существенных недостатков. В этом устройстве конструктивно не обеспечено решение проблем по обеспечению способности устройства противостоять экстремальному нагреву следующих конструктивных элементов: обмоток катушек и магнитопровода трансформатора, многочисленных отводов вторичных обмоток. Следствием этого являются такие недостатки известной конструкции: высокие значения потерь в обмотках и магнитопроводе трансформатора, существенные броски тока намагничивания (сравнимы по величине с токами короткого замыкания) в момент постановки трансформатора под напряжение, неэффективный отвод тепла от нагретых элементов трансформатора большой протяженности. Эти явления указывают на тот факт, что в данной известной конструкции трансформатора не решены проблемы, связанные со снижением перегрузок по току в процессе всего времени эксплуатации, приводящих к возникновению избыточных тепловых нагрузок на сердечники, магнитопровод и обмотки. Также недостаточно обеспечена компактность и малогабаритность устройства.
Кроме того, эти недостатки препятствуют эффективному применению данной известной конструкции трансформатора в условиях наличия постоянных перепадов температур окружающего воздуха и интенсивных механических воздействий.
Известен трансформатор преобразовательный трехфазный многообмоточный (патент РФ на полезную модель №167099, МПК H01F 27/08, опубл. 20.12.2016, бюл. 35), в котором решена задача улучшения показателей надежности при эксплуатации путем повышения стойкости трансформатора к электродинамическим воздействиям.
Этот известный трансформатор преобразовательный трехфазный многообмоточный содержит трехстержневой магнитопровод, трехфазную первичную обмотку и многофазную вторичную обмотку, причем магнитопровод набран пластинами 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 электрическую прочность воздушного промежутка; введена обмотка предварительного заряда, расположенная внизу стержня магнитопровода под первичной и вторичной обмотками; магнитопровод, первичная и вторичная обмотки снабжены каналами для воздушного охлаждения; трансформатор помещен в кожух, оборудованный осевыми, тангенциальными вентиляторами и барьером; в магнитопроводе, первичной, вторичной обмотках и обмотке предварительного заряда установлены датчики температуры с возможностью отображения информации на дисплее блока контроля температуры; при этом 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; при этом 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 электрическую прочность воздушного промежутка. В конструкцию трансформатора внесена обмотка предварительного заряда, представляющая дополнительную маломощную обмотку для осуществления предварительного заряда силовых ячеек преобразователя. Она предназначена для исключения броска тока намагничивания в момент постановки трансформатора под напряжение. Обмотки предварительного заряда рассчитаны на кратковременный режим работы. Известная конструкция обеспечивает стойкость устройства к токам короткого замыкания в момент постановки трансформатора под напряжение.
Однако в данной известной конструкции трансформатора не решены проблемы, связанные со снижением перегрузок по току в процессе всего времени эксплуатации, приводящие к возникновению избыточных тепловых нагрузок на сердечники, магнитопровод и обмотки. Также не обеспечена компактность и малогабаритность трансформатора.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является преобразовательный трансформатор большой мощности (патент РФ на полезную модель №44203, МПК H01F 27/30, опубл. 27.02.2005, бюл. 6. ПРОТОТИП), предназначенный для питания выпрямительных подстанций серий электролиза на алюминиевых заводах. При создании конструкции этого трансформатора решена задача оптимизации и компановки внутренних конструктивных соединений при необходимости рациональной установки внутри бака трансформатора дросселей насыщения. Принятый за прототип преобразовательный трансформатор содержит бак, имеющий стенки, вводы высокого и низкого напряжения, дроссели насыщения и три активные части, каждая из которых имеет трехстержневой магнитопровод и обмотки с отводами; первая активная часть представляет собой понижающий автотрансформатор и имеет вводы высокого напряжения, вторые две активные части имеют разные группы соединений обмоток низкого напряжения и расположены таким образом, что плоскости осей стержней их магнитопроводов параллельны; каждая из этих двух активных частей имеет отводы обмотки низкого напряжения, одна часть которых расположена по высоте на уровне магнитопровода, а другая часть - выше магнитопровода. При этом та часть отводов обмотки низкого напряжения, что находится по высоте на уровне магнитопровода, размещена между вторыми активными частями. Вводы низкого напряжения расположены на разных боковых сторонах бака трансформатора таким образом, чтобы разнести анодные и катодные цепи на разные стороны бака.
Известный преобразовательный трансформатор содержит двенадцать дросселей насыщения, при этом шесть дросселей размещены над одной активной частью с обмотками низкого напряжения, а над второй активной частью с обмотками низкого напряжения размещены остальные шесть дросселей. При этом каждый дроссель электрически соединен с вводами обмотки низкого напряжения соответствующей активной части.
Установка внутри трансформатора дросселей насыщения обеспечивает необходимое регулирование выходного напряжения и тока преобразовательного трансформатора. Дроссельное управление, осуществляемое в пределах дискретного трансформаторного регулирования напряжения, используют для жесткой стабилизации выходного тока. Жесткая стабилизация тока необходима для качественного осуществления технологического процесса при электролизе алюминия.
Однако конструкция этого известного преобразовательного трансформатора обладает рядом существенных недостатков. Дроссельный комплект имеет большую установленную мощность и значительные габариты, что ухудшает энергетические и массогабаритные показатели трансформатора. Кроме того, поскольку трансформатор работает в условиях высоких рабочих токов и значительного уровня высших гармоник, в процессе его работы неизбежно происходит искажение формы кривой тока, что приводит к увеличению потерь и повышенному нагреву всех элементов конструкции трансформатора.
Таким образом, в данной известной конструкции трансформатора не решены проблемы, связанные со снижением перегрузок по току в процессе всего времени эксплуатации, которые приводят к возникновению избыточных тепловых нагрузок на сердечники, магнитопровод и обмотки. Также не обеспечена компактность и малогабаритность устройства, что препятствует возможности размещения известной конструкции трансформатора в достаточно ограниченном пространстве.
Кроме того, эти недостатки препятствуют эффективной эксплуатации данной известной конструкции трансформатора в условиях наличия постоянных перепадов температур окружающего воздуха и интенсивных механических воздействий.
Таким образом, технический уровень на данный момент времени показывает, что известные конструкции силовых сухих высоковольтных трансформаторов не обладают достаточной теплостойкостью, выносливостью и повышенной прочностью, а также оптимальными массогабаритными параметрами, длительным ресурсом эксплуатации и стабильными выходными параметрами (при его эксплуатации в сложных климатических условиях), поскольку являются недостаточно эффективными вследствие нерешенности следующих проблем:
- отсутствия достаточно эффективных конструктивных решений, позволяющих обеспечить трансформатору в течение всего времени его эксплуатации стабильную способность противостоять термическим перегрузкам, вызывающих перегрев основных элементов трансформатора при соблюдения условия сохранения массогабаритных параметров, жестко ограниченных местом размещения, например, в железнодорожном транспорте;
- отсутствия достаточно эффективных технических решений для обеспечения снижения уровня пульсаций тока на входе устройства, который позволил бы уменьшить уровень тепловой нагрузки сердечников, магнитопровода и обмоток трансформатора в течение всего времени его работы;
- отсутствия достаточно эффективных конструктивных решений для обеспечения компактности и малогабаритности устройства при сохранении оптимальной теплостойкости трансформатора;
- отсутствия достаточно эффективных конструктивных решений по обеспечению способности компактному и малогабаритному трансформаторному устройству противостоять экстремальному нагреву конструктивных элементов трансформатора и сохранять длительный ресурс эксплуатации;
- отсутствия достаточно эффективных технических решений, позволяющих обеспечить достаточно высокую надежность и длительный ресурс эксплуатации конструкции трансформатора в условиях наличия постоянных перепадов температур окружающего воздуха и интенсивных механических воздействий.
Задачей, на решение которой направлен заявляемый технический объект, состоит в создании высоконадежного оригинального силового сухого высоковольтного трехфазного трансформатора рельсового транспортного средства, конструкция которого отличается от известных решений высокой надежностью эксплуатации, стабильной способностью противостоять термическим перегрузкам для получения в результате преобразования качественной выходной электроэнергии при сохранении оптимальных массогабаритных параметров, а также обладающего компактностью, высокой нагревостойкостью, выносливостью и повышенной прочностью, длительным ресурсом работы и стабильными выходными параметрами за счет снижения уровня пульсаций входного тока, снижения тепловой нагрузки сердечников, магнитопровода и обмоток трансформатора при его эксплуатации в условиях повышенной запыленности, постоянных перепадах температуры воздуха внешней среды, интенсивных механических воздействий, возникающих при неравномерностях высокоскоростного движения железнодорожного транспорта на спусках, подъемах, извилистых путях.
Заявляемое техническое решение направлено на создание оригинальных технических решений в составе силового сухого высоковольтного трехфазного трансформатора для рельсовых транспортных средств, позволяющих при преобразовании напряжения обеспечить сглаживание высших гармоник, искажающих форму кривой тока и приводящих к увеличению потерь и повышенному нагреву трансформатора.
Таким образом, в заявляемой конструкции трансформатора решены задачи, связанные со снижением перегрузок по току в процессе всего времени эксплуатации, и исключены причины возникновения избыточных тепловых нагрузок на сердечники, магнитопровод и обмотки. При этом также обеспечена компактность и малогабаритность устройства. За счет такого оригинального технического решения обеспечено получение качественной преобразуемой энергии.
Эти качества обеспечены за счет того, что в заявляемом устройстве - силовом сухом высоковольтном трехфазном трансформаторе для рельсового транспортного средства, содержащем установленный между нижней и верхней рамами магнитопровод трансформатора с соединенными между собой верхним и нижним ярмами тремя стержнями, содержащими три катушки, каждая из которых выполнена из концентрично размещенных внешней первичной обмотки высшего напряжения и внутренней вторичной обмотки низшего напряжения, между которыми выполнен воздушный канал охлаждения, а также содержащий трехфазный дроссель с магнитопроводом и тремя сердечниками, - решена задача по исключению причины возникновения избыточных тепловых нагрузок на сердечнике, магнитопроводе и обмотке за счет усовершенствования конструкции заявляемого трансформатора, состоящем в следующем: устройство снабжено сквозным люнетом для размещения каждого сердечника трехфазного дросселя и средствами крепления упомянутых сердечников дросселя в трансформаторе, при этом каждый упомянутый сквозной люнет выполнен внутри каждой катушки трансформатора между обмоткой низшего напряжения и обмоткой высшего напряжения, а средства крепления сердечников трехфазного дросселя выполнены в виде двух пар оппозитных зажимных пластин, первая пара которых установлена параллельно верхнему ярму трансформатора и соединена с верхней рамой трансформатора, а вторая пара упомянутых пластин установлена параллельно нижнему ярму трансформатора и соединена с нижней рамой трансформатора, причем каждый сердечник трехфазного дросселя размещен в упомянутом сквозном люнете параллельно стержню трансформатора и снабжен двумя плечевыми пластинами с элементами сцепления на их верхних и нижних концах, при этом между внутренними частями нижних концов плечевых пластин установлены нижние ярма трехфазного дросселя, а между внутренними частями верхних концов плечевых пластин установлены верхние ярма упомянутого дросселя, причем внешняя часть верхних концов упомянутых плечевых пластин соединена с внутренней частью первой пары зажимных оппозитных пластин средства крепления сердечников дросселя в трансформаторе, а внешняя часть нижних концов упомянутых плечевых пластин соединена с внутренней частью второй пары зажимных оппозитных пластин упомянутого средства крепления сердечников дросселя, при этом обмотка высшего напряжения каждой катушки трансформатора выполнена с возможностью одновременного ее соответствия обмотке каждого сердечника трехфазного дросселя.
Благодаря новым оригинальным техническим решениям в конструкции заявляемого силового сухого высоковольтного трехфазного трансформатора рельсового транспортного средства удалось решить проблему по обеспечению снижения уровня пульсаций тока на входе устройства, который позволил уменьшить уровень тепловой нагрузки сердечников, магнитопровода и обмоток трансформатора в течение всего времени его работы при сохранении оптимальных массогабаритных параметров.
Таким образом, за счет создания оригинальной конструкции заявляемого устройства обеспечено проявление и сохранение в заявляемом устройстве нового свойства: стабильной способности противостоять термическим перегрузкам за счет снижения уровня пульсаций тока в течение всего времени эксплуатации. При этом в заявляемом трансформаторе обеспечено получение качественных показателей преобразуемой энергии, а также достижение повышенных нагревостойкости, прочности, стабильной надежности эксплуатации, длительного ресурса работы и стабильно качественных выходных параметров при сохранении оптимальных массогабаритных параметров.
При создании конструкции заявляемого устройства для решения поставленных задач разработанное техническое решение при эксплуатации в сложных погодных условиях должно обладать:
- оптимальной компактностью, технологичностью и достаточной простотой конструкции с жесткими ограничениями по массе, габаритам и техническим параметрам;
- возможностью конструктивного обеспечения соответствия требованиям стойкости к внешним воздействующим факторам: верхнее значение предельной рабочей температуры окружающей среды - плюс 60°С (температура по шкале Цельсия), нижнее - минус 50°С (температура по шкале Цельсия); верхнее значение относительной влажности воздуха - 100% при плюс (25±2)°С (температура по шкале Цельсия); высота эксплуатации над уровнем моря не более 1300 м;
- возможностью обеспечения условий для безаварийности работы электрического оборудования рельсового транспортного средства;
- конструктивной стабильностью заданных выходных параметров;
- повышенной прочностью и термостойкостью как основных элементов конструкции, так и соединяющих их средств;
- устойчивостью к вибрациям и ударным нагрузкам в соответствии с ГОСТ 30631 для группы механического исполнения М25;
- высокой надежностью эксплуатации;
- обеспечением бесперебойной работоспособности и охранения необходимых параметров при высоких и низких температурах окружающей среды (в диапазоне предельных рабочих температур наружного воздуха от минус 50°С до плюс 60°С° (температура по шкале Цельсия);
- обеспечением высокой пожароустойчивости за счет использования трудногорючих материалов;
- обеспечением требований к долговечности и сохраняемости: назначенный полный срок службы - не менее 40 лет.
Заявляемое техническое решение может быть признано соответствующим требованиям новизны, поскольку не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам предлагаемого объекта защиты.
Техническое решение можно признать имеющим изобретательский уровень, поскольку оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.
Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости, поскольку оно изготавливается и используется (см. прилагаемую рекламу на 1 листе).
Предлагается силовой сухой высоковольтный трехфазный трансформатор для рельсового транспортного средства, содержащий установленный между нижней и верхней рамами магнитопровод трансформатора с соединенными между собой верхним и нижним ярмами тремя стержнями, содержащими три катушки, каждая из которых выполнена из концентрично размещенных внешней первичной обмотки высшего напряжения и внутренней вторичной обмотки низшего напряжения, между которыми выполнен воздушный канал охлаждения, а также трехфазный дроссель с магнитопроводом и тремя сердечниками.
Достижение указанных технических результатов обеспечивается за счет того, что силовой сухой высоковольтный трехфазный трансформатор для рельсового транспортного средства снабжен сквозным люнетом для размещения каждого сердечника трехфазного дросселя и средствами крепления упомянутых сердечников дросселя в трансформаторе, при этом каждый упомянутый сквозной люнет выполнен внутри каждой катушки трансформатора между обмоткой низшего напряжения и обмоткой высшего напряжения, а средства крепления сердечников трехфазного дросселя выполнены в виде двух пар оппозитных зажимных пластин, первая пара которых установлена параллельно верхнему ярму трансформатора и соединена с верхней рамой трансформатора, а вторая пара упомянутых пластин установлена параллельно нижнему ярму трансформатора и соединена с нижней рамой трансформатора, причем каждый сердечник трехфазного дросселя размещен в упомянутом сквозном люнете параллельно стержню трансформатора и снабжен двумя плечевыми пластинами с элементами сцепления на их верхних и нижних концах, при этом между внутренними частями нижних концов плечевых пластин установлены нижние ярма трехфазного дросселя, а между внутренними частями верхних концов плечевых пластин установлены верхние ярма упомянутого дросселя, причем внешняя часть верхних концов упомянутых плечевых пластин соединена с внутренней частью первой пары зажимных оппозитных пластин средства крепления сердечников дросселя в трансформаторе, а внешняя часть нижних концов упомянутых плечевых пластин соединена с внутренней частью второй пары зажимных оппозитных пластин упомянутого средства крепления сердечников дросселя, при этом обмотка высшего напряжения каждой катушки трансформатора выполнена с возможностью одновременного ее соответствия обмотке каждого стержня трехфазного дросселя.
Сущность заявляемого устройства пояснена следующими чертежами:
- фиг. 1 - силовой сухой высоковольтный трехфазный трансформатор 1 для рельсового транспортного средства (аксонометрия, вид спереди),
- фиг. 2 - силовой сухой высоковольтный трехфазный трансформатор 1 для рельсового транспортного средства (аксонометрия, вид снизу),
- фиг. 3 - силовой сухой высоковольтный трехфазный трансформатор 1 для рельсового транспортного средства (вид спереди),
- фиг. 4 - силовой сухой высоковольтный трехфазный трансформатор 1 для рельсового транспортного средства (вид сверху),
- фиг. 5 - силовой сухой высоковольтный трехфазный трансформатор 1 для рельсового транспортного средства (вид сбоку),
- фиг. 6 - катушка трансформатора (вид спереди, без сердечника дросселя),
- фиг. 7 - катушка трансформатора, (вид А, вид сбоку, без сердечника дросселя),
- фиг. 8 - катушка трансформатора (аксонометрия, вид сбоку, сборка с сердечником трехфазного дросселя),
- фиг. 9 - катушка трансформатора в сборке с сердечником трехфазного дросселя (аксонометрия),
- фиг. 10 - один сердечник трехфазного дросселя, (аксонометрия),
- фиг. 11 - стержень трансформатора, (аксонометрия),
- фиг. 12 - магниторовод 4 трансформатора, (аксонометрия),
- фиг. 13 - магнитопровод трехфазного дросселя, (аксонометрия),
- фиг. 14 - средство 16 крепления сердечников трехфазного дросселя в трансформаторе в виде двух пар зажимных пластин, (аксонометрия),
- фиг. 15 - размещение в трансформаторе средств крепления сердечников трехфазного трансформатора, (аксонометрия)
- фиг. 16 - размещение в трансформаторе его магнитопровода 4 и магнитопровода 13 трехфазного дросселя, (аксонометрия).
Заявляемое устройство - силовой сухой высоковольтный трехфазный трансформатор 1 (см. фиг. 1, 2, 3, 4, 5; рекламный лист) рельсового транспортного средства (далее - трансформатор 1) содержит установленный между нижней 2 (см. фиг. 1, 2) и верхней 3 рамами (поз. 2 и поз. 3 на фиг. 1, 2, 3) магнитопровод 4 (фиг. 12) трансформатора 1 (см. фиг. 1) с соединенными между собой верхним 5 и нижним 6 ярмами (поз. 5 и поз. 6 на фиг. 12) тремя стержнями 7 (фиг. 12), содержащими три катушки 8 (фиг. 1, 2, 3, 4, 5) (две крайние катушки и одну среднюю катушку), каждая из которых выполнена из концентрично размещенных внешней первичной обмотки 9 (фиг. 7) высшего напряжения и внутренней вторичной обмотки 10 (фиг. 7) низшего напряжения, между которыми выполнен воздушный канал 11 (фиг. 7, 8) охлаждения, а также включает трехфазный дроссель 12 (фиг. 8, 9) с магнитопроводом 13 (фиг. 8, 13), и тремя сердечниками 14 (фиг. 13), выполненными, например в виде стержней. Магнитопровод 13 (фиг. 13) дросселя 12 имеет верхние 20 и нижние 21 ярма (поз. 20 и поз. 21 на фиг. 13). Упомянутый трансформатор 1 для размещения каждого сердечника 14 трехфазного дросселя 12 снабжен сквозным люнетом 15 (фиг. 2, 7). В данной конструкции трансформатора 1 выполнено три сквозных люнета 15. При этом каждый упомянутый сквозной люнет 15 выполнен внутри каждой катушки 8 трансформатора 1 между обмоткой 10 низшего напряжения и обмоткой 9 высшего напряжения (см. фиг. 2, 7). При этом конструкция заявляемого устройства решена таким образом, что внешняя первичная обмотка 9 высшего напряжения каждой катушки трансформатора 1 одновременно является обмоткой соответствующей фазы для каждого сердечника 14 (выполненного, например, в виде стержня) трехфазного дросселя 12 (см. фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7).
Заявляемое устройство 1 также снабжено средствами 16 (фиг. 14) крепления сердечников 14 трехфазного дросселя 12 в трансформаторе 1. Средства 16 крепления сердечников 14 трехфазного дросселя 12 выполнены виде двух пар оппозитных зажимных пластин (поз. 17 и поз. 18 на фиг.(см. фиг. 14). Первая пара 17 оппозитных зажимных пластин 17' и 17" (поз. 17' и поз. 17" на фиг. 1, 2, 3, 14, 15) установлена параллельно верхнему ярму 5 трансформатора 1 и соединена с верхней рамой 3 трансформатора 1 (фиг 1, 2, 3, 15). Вторая пара 18 оппозитных зажимных пластин 18' и 18" установлена параллельно нижнему ярму 6 трансформатора 1 и соединена с нижней рамой 2 трансформатора 1 (фиг 1, 2, 3, 15).
Каждый сердечник 14 трехфазного дросселя 12 размещен в упомянутом сквозном люнете 15 (фиг. 7, 8) параллельно стержню трансформатора 1 и снабжен двумя плечевыми пластинами 19 (фиг. 11) с элементами сцепления 27 на их верхних и нижних концах. При этом между внутренними частями нижних концов плечевых пластин 19 установлены нижние ярма 21 дросселя 12, а между внутренними частями верхних концов плечевых пластин 19 установлены верхние ярма 20 упомянутого дросселя 12 (фиг. 15). Причем внешняя часть верхних концов упомянутых плечевых пластин 19 соединена с внутренней частью первой пары зажимных оппозитных пластин 17 средства 16 крепления сердечников 14 дросселя 12 в трансформаторе 1, а внешняя часть нижних концов упомянутых плечевых пластин 19 соединена с внутренней частью второй пары зажимных оппозитных пластин 18 упомянутого средства крепления сердечников дросселя 12 (фиг. 1, 2, 3, 8, 9, 15).
Вышеописанный функциональный узел заявляемого устройства представляет собой силовую преобразовательную часть конструкции силового сухого высоковольтного трехфазного трансформатора для рельсового транспортного средства.
Конструкция этого трансформатора 1 также включает следующие функциональные узлы:
- измерительную часть для контроля температуры обмоток, состоящей из двух датчиков температуры 22 (фиг. 8), вмонтированных в обмотку средней катушки 8;
- клеммного соединителя 23 для подключения датчиков температуры 22 к внешней системе контроля с током измерения 2 мА (на фигуре не показано);
- опорных изоляторов 24 для подключения к сети питания и нагрузке силовой части трансформатора;
- кронштейна 25 для прокладки и фиксации силовых подводящих кабелей (на фигуре не показан);
- прочного сварного основания (рама сварная нижняя для установки и крепления трансформатора в блоке вспомогательных трансформаторов);
- экрана 26 в виде закрытого периметра для эффективного распределения потока охлаждающего воздуха.
3
В данном трансформаторе 1 применено принудительное воздушное охлаждение от внешнего вентилятора при необходимом охлаждении не более 1440 м/ч.
Пояснение терминологии:
Источник информации: сайт: dic.academic.ru.
Сквозной люнет - (франц. Lunette, буквально-лунка, ниша), арочный проем в своде или стене, ограниченный снизу горизонтально. В сквозных люнетах помещаются окна.
Заявляемый силовой сухой высоковольтный трехфазный трансформатор рельсового транспортного средства (далее - трансформатор 1) работает следующим образом.
Сначала трансформатор 1 устанавливают в вертикальном положении на предназначенное для него место в блоке вспомогательных трансформаторов (БВТ) и закрепляют четырьмя болтами к полу БВТ (на фигуре не показано). Блок вспомогательных трансформаторов размещают в машинном отделении локомотива (например, электровоза магистрального грузового переменного тока).
Затем осуществляют все необходимые соединения и проверку правильности механических и электрических подключений. Управление режимами работы трансформатора осуществляют с помощью пульта управления (на фигуре не показан), находящегося в кабине электровоза. По команде с пульта управления первичная обмотка трансформатора получает питание от импульсного инвертора вспомогательных нужд (на фигуре не показан), расположенного в тяговых преобразователях электровоза. При подаче питания на первичную обмотку трансформатора 1 по ней начинает течь ток и поскольку конструктивно эта первичная обмотка является также обмоткой трехфазного дросселя, то этот ток начинает формировать электромагнитное поле вокруг каждой катушки упомянутого дросселя, а так как для формирования этого магнитного поля нужна энергия, то получается, что протекающий в первый момент ток затрачивается, в том числе, и на формирование электромагнитного поля дросселя. Таким образом, в первый момент протекания тока поле дросселя наводит дополнительную противодействующую электродвижущую силу в первичной обмотке, то есть дроссель ограничивает резкое нарастание коммутационного тока в цепи. Как только электромагнитное поле дросселя будет полностью сформировано, то эффект резкого нарастания коммутационного тока будет нивелирован и на выходе дросселя рост напряжения будет происходить с запаздыванием. Например, если в результате искажений (помех, паразитных токов, частотных гармоник) синусоидальной формы волны напряжения и тока от времени рост напряжения имел несинусоидальный (либо импульсный) характер, то дроссель сгладит несинусоидальность формы кривой и на выходе будет стабильное напряжение без всяких скачков. Таким образом, благодаря выполненным в заявляемом устройстве усовершенствованиям конструкции успешно сглаживаются и отфильтровываются высокочастотные импульсные помехи при преобразовании напряжения. Следствием сглаживания пульсаций тока и напряжения является снижение уровня тепловой нагрузки сердечников, магнитопровода и обмоток трансформатора в течение всего времени его работы при сохранении оптимальных массогабаритных параметров устройства.
Протекающий по первичным обмоткам каждой фазы ток сглаженной формы генерирует переменное магнитное поле в магнитопроводе трансформатора, которое охватывает вторичные обмотки в каждой фазе и вызывает появление на этих обмотках переменного синусоидального тока пониженного напряжения с параметрами, соответствующими требованиям стандартов к качеству электроэнергии.
При этом в заявляемой конструкции силового сухого высоковольтного трехфазного трансформатора рельсового транспортного средства получены следующие технико-экономические результаты:
- оптимальная компактность, технологичность и достаточная простота конструкции с жесткими ограничениями по массе, габаритам и техническим параметрам;
- конструктивное обеспечение соответствия требованиям стойкости к внешним воздействующим факторам: верхнее значение предельной рабочей температуры окружающей среды - плюс 60°С (температура по шкале Цельсия), нижнее - минус 50°С (температура по шкале Цельсия); верхнее значение относительной влажности воздуха - 100% при плюс (25±2)°С (температура по шкале Цельсия); высота эксплуатации над уровнем моря не более 1300 м;
- возможность обеспечения условий для безаварийности работы электрического оборудования рельсового транспортного средства;
- конструктивная стабильность заданных выходных параметров;
- повышенная прочность и термостойкость как основных элементов конструкции, так и соединяющих их средств;
- устойчивость к вибрациям и ударным нагрузкам в соответствии с ГОСТ 30631 для группы механического исполнения М25;
- высокая надежность эксплуатации;
- обеспечение бесперебойной работоспособности и сохранения необходимых параметров при высоких и низких температурах окружающей среды (в диапазоне предельных рабочих температур наружного воздуха от минус 50°С до плюс 60°С° (температура по шкале Цельсия);
- обеспечение высокой пожароустойчивости за счет использования трудногорящих материалов;
- обеспечение требований к долговечности и сохраняемости: назначенный полный срок службы - не менее 40 лет.
Таким образом, заявляемое техническое решение представляет собой оригинальный силовой сухой высоковольтный трехфазный трансформатор для рельсового транспортного средства, который отличается от известных решений высокой надежностью эксплуатации, оптимальной стабильной способностью противостоять термическим перегрузкам для получения в результате преобразования качественной выходной электроэнергии при сохранении оптимальных массогабаритных параметров, а также обладающего компактностью, высокой нагревостойкостью, выносливостью и повышенной прочностью, длительным ресурсом работы и стабильными выходными параметрами за счет снижения уровня пульсаций входного тока, снижения тепловой нагрузки сердечников, магнитопровода и обмоток трансформатора при его эксплуатации в условиях повышенной запыленности, постоянных перепадах температуры воздуха внешней среды, интенсивных механических воздействий, возникающих при неравномерностях высокоскоростного движения железнодорожного транспорта на спусках, подъемах, извилистых путях.