Трансформатор с вращающимся магнитным полем, регулируемый поперечным подмагничиванием магнитопровода

Известно, что подмагничивание в ортогональной (поперечной) к магнитному потоку рабочих обмоток плоскости позволяет изменять свойства ферромагнитного материала магнитопровода. При таком способе подмагничивания в рабочих обмотках четные гармоники вообще не возникают, а относительные амплитуды нечетных гармоник уменьшаются с ростом напряженности поперечного поля, что обусловлено увеличением линейности характеристики намагничивания магнитопровода. При увеличении мощности управляемого реактора или трансформатора поперечное подмагничивание вызывает уменьшение потерь на магнитострикцию и сужение петли гистерезиса с одновременным увеличением ее линейности. Технически поперечное подмагничивание реализуется сдвигом осей рабочей (основной) обмотки и обмотки подмагничивания (дополнительной) на угол 90 градусов, при этом в ферромагнетике образуется результирующее магнитное поле, определяемое степенью воздействия обмотки подмагничивания, а между рабочей обмоткой и обмоткой подмагничивания отсутствует индуктивная (трансформаторная) связь. Отличие предлагаемого решения от прототипа заключается в использовании поперечного подмагничивания магнитопровода, при этом обмотка подмагничивания выполняется на стержне из ферромагнитного материала цельной катушкой и располагается в центре магнитопровода в его продольной оси. По торцам магнитопровода устанавливаются пластины из ферромагнитного материала соответствующего радиуса, по которым поток подмагничивания со стержня катушки подмагничивания переходит на внутреннее ярмо магнитопровода, что обеспечивает взаимную ортогональность потоков рабочих обмоток и обмотки подмагничивания.

Название полезной модели. Трансформатор с вращающимся магнитным полем, регулируемый поперечным подмагничиванием магнитопровода.

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к силовой электротехнике и может быть использована в полупроводниковых преобразователях на базе трансформаторов с вращающимся магнитным полем; а также в регулируемых трансформаторах и электрических реакторах с вращающимся магнитным полем для регулирования тока и напряжения рабочих обмоток.

Уровень техники. Из уровня техники известен трехфазный трансформатор с вращающимся магнитным полем, выполненный по типу асинхронной машины с двумя обмотками на статоре, оси которых сдвинуты относительно друг друга на 90 градусов, с регулированием выходного напряжения путем изменения магнитной проводимости внутреннего магнитопровода, вставленного в расточку статора [Свидетельство СССР на изобретение 124523].

К недостаткам этого решения можно отнести ограниченную объемом внутреннего магнитопровода зону подмагничивания, что снижает его эффективность и уменьшает глубину регулирования выходного напряжения трансформатора. Конструктивно отсутствует возможность монолитного (без воздушного зазора) соединения внутреннего магнитопровода с расположенной на нем обмоткой подмагничивания со статором, что снижает коэффициент полезного действия трансформатора. Магнитопровод обмотки подмагничивания представляет собой цилиндр, что усложняет технологию намотки и увеличивает ее трудоемкость. Кроме того, такое подмагничивание приводит к ухудшению гармонического состава выходного напряжения трансформатора.

Известен также регулируемый трансформатор с вращающимся магнитным полем [Свидетельство СССР на изобретение 1070615], содержащий составной цилиндрический шихтованный магнитопровод, имеющий внешнюю и внутреннюю части с пазами для обмоток переменного тока, и обмотку подмагничивания, установленную между зубцами внешней и внутренней частей магнитопровода и выполненный в виде шихтованного полого цилиндра с открытыми пазами.

К недостаткам такого решения можно отнести разделение пазов на две половины, в которые укладываются первичная и вторичная обмотки, что усложняет конструкцию и ухудшает ее технологичность. Наличие большого числа катушек в обмотке подмагничивания усложняет изготовление трансформатора, а часть ее магнитного потока проходит через зубцы, намагничивая их, что ухудшает качество напряжения рабочих обмоток.

Данное техническое решение наиболее близко к предлагаемому и выбирается в качестве прототипа.

Раскрытие полезной модели. Известно, что продольное подмагничивание (совпадающее по направлению с магнитным потоком рабочих обмоток) трансформаторов и реакторов порождает высшие гармоники тока четной кратности. Их можно подавить при помощи специальных фильтров, либо за счет усложнения самой конструкции.

Подмагничивание в ортогональной (поперечной) к магнитному потоку рабочих обмоток плоскости позволяет изменять свойства ферромагнитного материала магнитопровода. При таком способе подмагничивания в рабочих обмотках четные гармоники вообще не возникают, а относительные амплитуды нечетных гармоник уменьшаются с ростом напряженности поперечного поля, что обусловлено увеличением линейности характеристики намагничивания магнитопровода. При увеличении мощности управляемого реактора или трансформатора возрастает напряженность поля, которое должна создавать обмотка подмагничивания. Продольному подмагничиванию при этом характерно резкое увеличение потерь в стали магнитопровода, в этом оно уступает по эффективности поперечному подмагничиванию, которое вызывает уменьшение потерь на магнитострикцию и сужение петли гистерезиса с одновременным увеличением ее линейности.

Технически поперечное подмагничивание реализуется сдвигом осей рабочей (основной) обмотки и обмотки подмагничивания (дополнительной) на угол 90 градусов, при этом в ферромагнетике образуется результирующее магнитное поле, определяемое степенью воздействия обмотки подмагничивания, а между рабочей обмоткой и обмоткой подмагничивания отсутствует индуктивная (трансформаторная) связь.

Поскольку ферромагнетики имеют три основные оси кристаллографической решетки, обозначаемые <100>, <010>, <001>, то в общем случае возможны два варианта поперечного подмагничивания магнитопровода. В трансформаторах с вращающимся магнитным полем такое подмагничивание в поперечном разрезе магнитопровода затруднено его кольцевой зубчатой структурой, а в случае подмагничивания в зоне наружного и внутреннего ярма - совпадает с направлением потока рабочих обмоток.

Отличие предлагаемого решения заключается в использовании поперечного подмагничивания внутреннего ярма магнитопровода, при этом обмотка подмагничивания выполняется на стержне из ферромагнитного материала цельной катушкой и располагается в центре магнитопровода на его продольной оси. По торцам магнитопровода устанавливаются круглые ферромагнитные пластины соответствующего радиуса, по которым поток подмагничивания со стержня катушки подмагничивания переходит на внутреннее ярмо магнитопровода, что в результате обеспечивает взаимную ортогональность потоков рабочих обмоток и обмотки подмагничивания.

Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим шесть принципиальных отличий от прототипа:

- обмотка подмагничивания выполняется в виде цельной катушки на отдельном стержне из ферромагнитного материала;

- обмотка подмагничивания располагается в центре магнитопровода, на его продольной оси;

- магнитный поток обмотки подмагничивания замыкается с ярмом магнитопровода с помощью боковых круглых пластин из ферромагнитного материала;

- магнитный поток подмагничивания полностью замкнут, что минимизирует поля рассеяния;

- поток подмагничивания расположен ортогонально относительно оси рабочего потока;

- исключается разделение пазов на две половины.

Таким образом, совокупность существенных признаков полезной модели приводит к новому техническому результату - упрощению конструкции магнитопровода и технологии изготовления обмотки подмагничивания, а также к снижению полей рассеяния обмотки подмагничивания и исключению возможности насыщения зубцов магнитопровода потоком подмагничивания.

Краткое описание чертежей. На фиг. 1 показан поперечный разрез магнитопровода. Здесь 1 - магнитопровод; 2 - ферромагнитный стержень с расположенной на нем обмоткой подмагничивания 3; 4 - паз с расположенными в нем рабочими обмотками 5.

Продольный разрез изображен на фигуре 2. Здесь 6 - торцевые пластины, замыкающие поток с ферромагнитного стержня 2 и обмотки подмагничивания 3 на ярмо магнитопровода 1.

Трансформатор с вращающимся магнитным полем, предназначенный для использования в силовой электротехнике и полупроводниковых преобразователях, содержащий цилиндрический шихтованный магнитопровод, в пазах которого уложены рабочие обмотки, отличающийся тем, что центральная часть магнитопровода имеет цилиндрический вырез для размещения обмотки подмагничивания, выполненной на стержне из ферромагнитного материала в виде катушки, магнитный поток которой замыкается через торцевые части с внутренним ярмом магнитопровода для регулирования тока и напряжения рабочих обмоток при одновременном улучшении гармонического состава магнитного потока рабочих обмоток и максимально возможной простоте конструкции и технологии изготовления.

РИСУНКИ