Высокочастотный трансформатор с пониженным рассеянием повышенной надежности

Высокочастотный трансформатор с пониженным рассеянием повышенной надежности. Предлагаемое решение относится к трансформаторостроению в области повышенных частот. Высокочастотные трансформаторы имеют повышенное рассеяние (напряжение короткого замыкания U_к). Для уменьшения рассеяния в предлагаемом решении первичная сетевая обмотка изолированно помещается внутри вторичной сильноточной обмотки трубчатого сечения, чем обеспечивается максимальное потокосцепление обмоток, соответственно минимальное возможное рассеяние и повышенная защищенность первичной сетевой обмотки от внешних воздействий. Для компенсации реактивной мощности собственно трансформатора и низковольтного потребителя внутри сильноточной вторичной обмотки помещается третья компенсационная обмотка, подключенная к конденсатору такой емкости, чтобы коэффициент мощности Cos первичной сетевой обмотки был близок к единицы. Трансформатор выполнен с сердечником броневого типа собранным из кольцевых шайб набранных и склеенных из тонколистовой электротехнической стали, в окна которых вставляются U_к-образные медные трубки с размещенной внутри сетевой и компенсационной обмотками. В выполненных таким образом трансформаторах при частоте 2400 Гц и одновитковом исполнении вторичной сильноточной обмотки напряжение короткого замыкания U_к в 2,5÷4 раза меньше, чем у трансформаторов традиционного исполнения. 2 фото.

Предлагаемое решение относится к трансформаторостроению в области повышенных частот используемых, главным образом, для нагрева и закалки металлов, а также в электромашиностроении для нагрева пресспланок шаблонов запечки стержневых обмоток.

Высокочастотные трансформаторы имеют повышенное внутреннее падение напряжения связанное с рассеянием обмоток, соответственно повышенную потребляемую реактивную мощность, компенсация которой осуществляется установкой дополнительных конденсаторных батарей, либо выработкой дополнительной реактивной мощности высокочастотным генератором.

Аналогами могут быть рассмотрены трансформаторы типов ВТО-500, ВТО-1000, ТВД-3, ТВШ-3, описанные в книгах: Тир Л.Л. Трансформаторы для установок индукционного нагрева повышенной частоты. М-Л. Госэнергоиздат, 1961, [1], А.Н. Шамов, В.А. Бодажков Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок. Ленинград. Машиностроение. 1974, [2].

Все типы трансформаторов имеют магнитопровод броневого типа, обмотки однослойные концентрические или плоские дисковые. Вторичная обмотка имеет один виток.

Выдержки из [2]: В высокочастотных трансформаторах большое внутреннее падение напряжения (напряжение короткого замыкания, 11_к %). По параметрам Z_ко, приведенным в таблицах в [1, 2] рассчитаны напряжения U_к %, которые составляют величины от 20,4 до 48% при частоте 2500 Гц в одновитковом исполнении вторичной обмотки.

Наиболее близким к предлагаемому решению принятому за прототип является трансформатор типа ВТО-500 имеющий наименьшее значение напряжения короткого замыкания, U_к =20,4%. Трансформатор имеет магнитопровод броневого типа из стали толщиной 0,35 мм. Обмотки трансформаторов однослойные, водоохлаждаемые, концентрические из медных трубок. Вторичная обмотка имеет один широкий виток. Магнитопровод охлаждается медными радиаторными листами с напаянными медными трубками.

В предлагаемом решении технический результат достигается тем, что первичная сетевая обмотка изолированно помещается внутри сильноточной вторичной обмотки трубчатого сечения, чем обеспечивается максимальное потокосцепление обмоток, соответственно минимально возможное рассеяние и повышенная защищенность первичной сетевой обмотки от внешних воздействий, а для компенсации реактивной мощности собственно трансформатора и потребителя внутри сильноточной вторичной обмотки дополнительно размещается третья компенсационная обмотка, подключенная к компенсирующему конденсатору.

Сердечник броневого типа собран из отдельных кольцевых пакетов набранных и склеенных из тонколистовой электротехнической стали (см. фото 1, 2).

Между пакетами для охлаждения выполнены каналы. Вторичная сильноточная обмотка выполнена из U образных медных трубок вставленных в окна кольцевых пакетов. Трубки могут соединяться параллельно (один виток), либо последовательно-параллельно (больше одного витка). Внутри трубок размещается первичная обмотка, выполненная из обмоточного прямоугольного провода типа ПСД дополнительно изолированного пропитанной слюдосодержащей лентой.

После испытания витковой и корпусной изоляции повышенным напряжением полость трубки заливается эпоксидной смолой горячего отверждения. После повторных испытаний изоляции производится распайка проводов в схему обмотки соединением последовательно или последовательно-параллельно. Размеры проводника и толщина стенки трубки выбираются такими, чтобы толщина проводника и стенки трубки была не намного больше глубины проникновения тока высокой частоты, . Для меди при частоте тока 2400 Гц =1,4 мм [1].

Выполненные таким образом трансформаторы для установки нагрева пресспланок шаблона запечки стержневых обмоток имеют при одновитковом исполнении вторичной сильноточной обмотки U_к=8,2% при частоте 2400 Гц.

Коэффициент мощности установки высокочастотного нагрева пресспланок, Cos0,5, а напряжение 42 В. Компенсация реактивной мощности шаблона при таком напряжении конденсаторами не реальна. Чтобы не пропускать через трансформатор эту реактивную мощность (87% полной), существенно увеличивая его габариты, предусмотрена третья, компенсационная, обмотка, размещаемая, как и сетевая, внутри трубок вторичной сильноточной обмотки. Напряжение на компенсационной обмотке предусматривается несколько выше напряжения сетевой, а емкость конденсаторов подбирается такой, чтобы коэффициент мощности на первичной сетевой обмотке был близок к единице. При этом питающая линия и генератор высокой частоты полностью разгружаются от транспортировки реактивной мощности. Суммарная полная мощность S в кВА вторичной низковольтной и компенсационной обмоток получается в 2,5÷3 раза больше активной мощности в кВт первичной обмотки (Cos=1). В результате условный КПД трансформатора получается очень высоким, на уровне 97%, а по чисто активной мощности - на уровне 90÷92% (P_тр - полные потери в трансформаторе), а в то время как в трансформаторах большей мощности по [1, 2] КПД не более 85%.

Первичная и компенсационные обмотки внутри медных трубок залитые эпоксидной смолой не подвержены вибрационным воздействиям, а перепад температуры к наружной поверхности трубок не превышает 20 К.

Вместе с механической защищенностью от внешних воздействий такое исполнение предопределяет высокую надежность трансформаторов подтвержденную практикой эксплуатации.

1. Высокочастотный трансформатор броневого типа с первичной сетевой из концентрических плоских катушек и вторичной низковольтной сильноточной обмотками, отличающийся тем, что первичная сетевая обмотка изолированно помещается внутри сильноточной вторичной обмотки трубчатого сечения, чем обеспечивается максимальное потокосцепление обмоток, соответственно минимально возможное рассеяние и повышенная защищенность первичной сетевой обмотки от внешних воздействий.

2. Высокочастотный трансформатор по п.1, отличающийся тем, что внутри вторичной сильноточной обмотки дополнительно размещается третья компенсационная обмотка, подключенная к компенсирующему конденсатору для компенсации реактивной мощности собственно трансформатора и потребителя.