RU2038639C1

RU2038639C1 - Transformer with smooth adjustment of voltage

Info

Publication number: RU2038639C1
Application number: RU93029512A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Елагин; О.Г. Коробов; А.И. Лурье
Original assignee: Всероссийский электротехнический институт им.В.И.Ленина
Priority date: 1993-06-15
Filing date: 1993-06-15
Publication date: 1995-06-27

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: transformer with smooth adjustment of voltage has magnetic core, immobile windings, mobile short-circuited winding produced from solid superconductive material and placed into cryostat with cooling liquid having temperature below one critical for superconductive material. Section of short- circuited winding is calculated by certain formula. Cryostat of transformer can be made mobile and immobile. Either mobile or immobile windings or all windings are placed together inside cryostat to obtain small volume. EFFECT: ensured smoothness of voltage adjustment. 6 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, к индукционным аппаратам, трансформаторам. The invention relates to electrical engineering, to induction apparatus, transformers.

Известны регулировочные трансформаторы, в которых предусмотрены ответвления в обмотках, переключаемых в процессе регулирования напряжения на нагрузке (на вторичной стороне трансформатора) [1] Такие трансформаторы могут обеспечить только ступенчатое регулирование напряжения. Плавное регулирование осуществляется в трансформаторах с движущимися по поверхности контактами. Known regulating transformers, which provide branches in the windings, switched during the regulation of voltage at the load (on the secondary side of the transformer) [1] Such transformers can provide only stepwise voltage regulation. Smooth regulation is carried out in transformers with moving contacts on the surface.

Недостатком этих аналогов является наличие контактов в цепи тока. Плавное регулирование напряжения возможно при использовании трансформатора с передвижной вторичной обмоткой, недостатком которого является сложность конструкции, связанная с наличием тяжелого подвижного стержня. The disadvantage of these analogues is the presence of contacts in the current circuit. Smooth voltage regulation is possible when using a transformer with a movable secondary winding, the disadvantage of which is the design complexity associated with the presence of a heavy movable rod.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является трансформатор с регулированием напряжения системы Норриса, в котором имеется замкнутый магнитопровод, две системы обмоток, подключаемых к первичному напряжению и нагрузке (обмотки первичная и вторичная), а также передвижная короткозамкнутая обмотка, которую можно перемещать вдоль стержня относительно остальных обмоток [1]-[4]
Недостатком такого трансформатора являются увеличенные потери мощности в проводниках короткозамкнутой обмотки при протекании в ней трансформированных токов первичной и вторичной обмоток, увеличенный ток короткого замыкания, отсутствие стабилизации тока нагрузки.The closest in technical essence to the proposed one is a transformer with voltage regulation of the Norris system, in which there is a closed magnetic circuit, two winding systems connected to the primary voltage and load (primary and secondary windings), as well as a movable short-circuited winding that can be moved along the rod relatively other windings [1] - [4]
The disadvantage of such a transformer is the increased power loss in the conductors of the short-circuited winding when the transformed currents of the primary and secondary windings flow in it, the increased short-circuit current, and the lack of stabilization of the load current.

Цель изобретения снижение потерь электроэнергии в трансформаторах с плавным регулированием напряжения, снижение тока короткого замыкания, стабилизация тока нагрузки. The purpose of the invention is the reduction of energy losses in transformers with stepless voltage regulation, reduction of short-circuit current, stabilization of the load current.

Цель достигается тем, что в известном трансформаторе с плавным регулированием напряжения, содержащем магнитопровод, неподвижные обмотки и подвижную короткозамкнутую обмотку, упомянутая короткозамкнутая обмотка выполнена из сплошного сверхпроводящего материала цилиндрической формы, например из массивной ВТСП-керамики (высокотемпературный сверхпроводник), и помещена в криостат с охлаждающей жидкостью, имеющей температуру ниже критической для сверхпроводящего материала, например с жидким азотом. The goal is achieved by the fact that in the known transformer with stepless voltage regulation, containing a magnetic circuit, fixed windings and a movable short-circuited winding, said short-circuited winding is made of a solid superconducting material of a cylindrical shape, for example, of a massive HTSC ceramic (high-temperature superconductor), and placed in a cryostat with coolant having a temperature lower than critical for a superconducting material, for example with liquid nitrogen.

Криостат может быть выполнен в виде тора с возможностью перемещения его вместе с короткозамкнутой обмоткой вдоль оси обмоток. Криостат может быть выполнен также неподвижным, в котором помещается подвижная обмотка. В тороидальный криостат можно поместить и неподвижные обмотки и подвижные обмотки. The cryostat can be made in the form of a torus with the possibility of moving it together with a short-circuited winding along the axis of the windings. The cryostat can also be made stationary, in which a movable winding is placed. In the toroidal cryostat, it is possible to place both fixed windings and movable windings.

Криостат может быть выполнен в виде цилиндра, в который вместе с короткозамкнутой обмоткой помещен магнитопровод с обмотками. The cryostat can be made in the form of a cylinder, in which, together with a short-circuited winding, a magnetic circuit with windings is placed.

Сечение короткозамкнутой обмотки определяют по формуле
S_кз

K, где S_кз сeчение сверхпроводящей обмотки;
W₂ число витков вторичной обмотки;
I_ст ток стабилизации (токоограничения) на выходе трансформатора;
j_кр кристаллическая плотность тока;
K коэффициент, зависящий от числа витков, схемы соединения обмоток и геометрических размеров магнитопровода и обмоток (K=1,5-3).The cross-section of a short-circuited winding is determined by the formula
S _KZ

K, where S _kOe sechenie superconducting winding;
W _{2 the} number of turns of the secondary winding;
I _st stabilization current (current limitation) at the transformer output;
j _cr crystalline current density;
K is a coefficient depending on the number of turns, the connection diagram of the windings and the geometric dimensions of the magnetic circuit and the windings (K = 1.5-3).

В предлагаемом трансформаторе используется особенность короткозамкнутой обмотки, выполненной из ВТСП-материала, заключающаяся в том, что при превышении током его критического значения этот материал теряет сверхпроводимость и приобретает конечное омическое сопротивление. Таким образом, трансформатор с ВТСП-обмоткой является одновременно ограничителем тока и стабилизатором тока нагрузки. Для того, чтобы трансформатор выполнял эти функции, необходимо обеспечить определенное соотношение размеров короткозамкнутой ВТСП-обмотки:
S_кз

K, где S_кз сечение сверхпроводящей обмотки;
I_ст требуемый ток стабилизации или максимально допустимый на выходе трансформатора;
W₂ число витков вторичной обмотки;
j_кр критическая плотность тока ВТСП-материала;
К коэффициент, зависящий от числа витков, схемы соединения обмоток и геометрических размеров магнитопровода и обмоток (К=1,5-3).The proposed transformer uses the feature of a short-circuited winding made of HTSC material, which consists in the fact that when the current exceeds its critical value, this material loses superconductivity and acquires a finite ohmic resistance. Thus, a transformer with a HTSC winding is both a current limiter and a load current stabilizer. In order for the transformer to perform these functions, it is necessary to provide a certain size ratio of the short-circuited HTSC winding:
S _KZ

K, where S _{cc is a} section of a superconducting winding;
I _{st the} required stabilization current or the maximum allowable at the output of the transformer;
W _{2 the} number of turns of the secondary winding;
j _cr critical current density of the HTSC material;
K coefficient, depending on the number of turns, the connection diagram of the windings and the geometric dimensions of the magnetic circuit and windings (K = 1.5-3).

Расположение выемной части трансформатора в криостате с жидким азотом имеет тот недостаток, что такой трансформатор имеет большой объем и массу, к тому же охлаждение магнитопровода нецелесообразно, так как не приводит к снижению потерь в стали. Поэтому предлагается ряд вариантов, чтобы избежать указанных недостатков. The location of the withdrawal part of the transformer in a cryostat with liquid nitrogen has the disadvantage that such a transformer has a large volume and mass, moreover, cooling the magnetic circuit is impractical, since it does not reduce steel losses. Therefore, a number of options are proposed to avoid these drawbacks.

Чтобы криостат имел малый объем, внутри него помещают подвижную обмотку. Наименьший объем получается в том случае, когда криостат, например в виде тора, выполнен подвижным. Однако выполнение подвижного криостата достаточно сложно. Поэтому предлагается вариант, когда криостат с расположенной внутри него обмоткой выполнен неподвижным. In order for the cryostat to have a small volume, a movable winding is placed inside it. The smallest volume is obtained when the cryostat, for example in the form of a torus, is made movable. However, the implementation of a movable cryostat is quite difficult. Therefore, an option is proposed when the cryostat with the winding located inside it is made stationary.

Выполнение криостата в виде цилиндра с помещенными в него короткозамкнутой обмоткой и магнитопроводом с обмотками позволяет достичь дополнительного снижения потерь из-за охлаждения всех обмоток трансформатора. The implementation of the cryostat in the form of a cylinder with a short-circuited winding placed in it and a magnetic circuit with windings allows to achieve an additional reduction in losses due to cooling of all transformer windings.

На фиг.1, 2 изображен в двух проекциях трансформатор с плавным регулированием напряжения, обмотки которого соединены по трансформаторной схеме; на фиг. 3 показан трансформатор с автотрансформаторной схемой соединения обмоток; на фиг. 4 передвижная короткозамкнутая ВТСП-обмотка в передвижном тороидальном криостате; на фиг.5 показана передвижная короткозамкнутая ВТСП-обмотка в неподвижном криостате; на фиг.6 трансформатор, у которого все обмотки, включая ВТСП-обмотку, помещены в общий тороидалный криостат; на фиг.7 изображена картина магнитного поля в окне трансформатора в среднем положении короткозамкнутой обмотки; на фиг.8 изображена картина магнитного поля в окне трансформатора в крайнем положении короткозамкнутой обмотки (при нагрузке на вторичной стороне). Figure 1, 2 shows in two projections a transformer with stepless voltage regulation, the windings of which are connected according to a transformer circuit; in FIG. 3 shows a transformer with an autotransformer winding connection diagram; in FIG. 4 mobile short-circuited HTSC winding in a mobile toroidal cryostat; figure 5 shows a mobile short-circuited HTSC winding in a stationary cryostat; Fig.6 transformer, in which all the windings, including the HTSC winding, are placed in a common toroidal cryostat; 7 shows a picture of a magnetic field in a transformer window in the middle position of a short-circuited winding; on Fig shows a picture of the magnetic field in the window of the transformer in the extreme position of the short-circuited winding (with a load on the secondary side).

Устройство содержит магнитопровод трансформатора, имеющий стержень 1 и боковые ярма 2, неподвижные обмотки: первичную, состоящую из секций 3 и 4, и вторичную, состоящую из секций 5 и 6, передвижную короткозамкнутую ВТСП-обмотку 7 (показано ее положение в середине высоты стержня и пунктиром нижнее положение); криостат 8 с жидким азотом, тягу 9 для передвижения короткозамкнутой обмотки, тягу 10 для передвижения криостата вместе с ВТСП-обмоткой. Буквами А и Х обозначена первичная сторона трансформатора, а буквами а и х вторичная сторона. Звездочками обозначено начало секций обмоток (условно все секции имеют одинаковую левую или правую намотку). The device comprises a transformer magnetic circuit having a rod 1 and side yokes 2, fixed windings: primary, consisting of sections 3 and 4, and secondary, consisting of sections 5 and 6, a mobile short-circuited HTSC winding 7 (its position is shown in the middle of the rod height and dotted down position); cryostat 8 with liquid nitrogen, rod 9 for moving the short-circuited winding, rod 10 for moving the cryostat along with the HTSC winding. The letters A and X indicate the primary side of the transformer, and the letters a and x indicate the secondary side. Asterisks indicate the beginning of winding sections (conditionally, all sections have the same left or right winding).

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

При подключении клемм А и Х трансформатора (фиг.1) к сети переменного тока возникает магнитный поток, который преимущественно проходит по воздуху, а не по стали (фиг. 7), так как части 3 и 4 первичной обмотки соединены последовательно-встречно. Если при этом короткозамкнутая обмотка 7 находится на оси симметрии в середине высоты стержня (фиг.7), то на вторичной стороне напряжения на нагрузке (а, х) нет. Если короткозамкнутую обмотку переместить к торцу обмоток, например вниз (фиг.8), то симметрия поля резко нарушается, на вторичной стороне появляется напряжение, максимальное по отношению к промежуточным положениям передвижной обмотки 7. При нагрузке ток протекает не только по обмоткам 3-6, но и по короткозамкнутой обмотке 7 (в ней протекает ток, соответствующий суммарным ампер-виткам обмоток 3-6). Если обмотка 7 выполнена из ВТСП-материала и охлаждена до температуры ниже критической для ВТСП (на фиг.1 условно показан криостат 8, в котором находится весь трансформатор), то ток, возникающий в короткозамкнутой обмотке, практически не вызывает в ней потерь. По сравнению с прототипом снижение потерь в обмотках достигает 25-40%
При трансформаторной схеме (фиг.1) напряжение на нагрузке регулируется от нуля до максимального при перемещении КЗ-обмотки 7 от середины к краю обмотки, при верхнем и нижнем положениях обмотки 7 фазы напряжения на вторичной обмотке сдвинуты на 180^о. Как правило, в трансформаторах системы Норриса применяется автотрансформаторная схема соединения обмоток (фиг.3). При этом в нижнем положении напряжение на нагрузке минимально (близко к 0), а в верхнем положении максимально и близко к напряжению питающей сети. Применение в автотрансформаторной схеме соединения обмоток короткозамкнутой ВТСП-обмотки также существенно снижает потери в обмотках.When connecting the terminals A and X of the transformer (Fig. 1) to an alternating current network, a magnetic flux occurs, which mainly passes through the air, rather than steel (Fig. 7), since parts 3 and 4 of the primary winding are connected in series. If the short-circuited winding 7 is located on the axis of symmetry in the middle of the rod height (Fig. 7), then there is no voltage on the secondary side of the load (a, x). If the short-circuited winding is moved to the end of the windings, for example down (Fig. 8), then the field symmetry is sharply broken, the voltage appears on the secondary side, which is maximum with respect to the intermediate positions of the movable winding 7. Under load, the current flows not only along the windings 3-6, but also along the short-circuited winding 7 (current flows in it, corresponding to the total ampere-turns of windings 3-6). If the winding 7 is made of HTSC material and is cooled to a temperature lower than critical for HTSC (cryostat 8, in which the entire transformer is located, is conventionally shown in Fig. 1), then the current arising in the short-circuited winding practically does not cause losses in it. Compared with the prototype, the reduction in losses in the windings reaches 25-40%
When the transformer circuit (1), the voltage across the load is adjustable from zero to the maximum by moving RS-winding 7 from the center to the edge of the winding at the upper and lower positions 7 phase winding voltage on the secondary winding are shifted by ¹⁸⁰ °. As a rule, in the transformers of the Norris system, an autotransformer circuit for connecting the windings is used (Fig. 3). In this case, in the lower position, the voltage at the load is minimal (close to 0), and in the upper position, it is maximum and close to the supply voltage. The use of a short-circuited HTSC winding in an autotransformer circuit for connecting windings also significantly reduces losses in the windings.

Существенно то, что короткозамкнутая обмотка выполнена из массивной ВТСП-керамики. В настоящее время ВТСП-провода и кабели еще не разработаны, в то время как массивные ВТСП-детали могут быть изготовлены, причем достаточно сложной формы, например в виде цилиндров, что необходимо для предлагаемого трансформатора. It is significant that the short-circuited winding is made of massive HTSC ceramic. At present, HTSC wires and cables have not yet been developed, while massive HTSC parts can be manufactured with a rather complex shape, for example, in the form of cylinders, which is necessary for the proposed transformer.

Таким образом, предлагаемый трансформатор с плавным регулированием напряжения позволяет обеспечить снижение тока короткого замыкания и стабилизировать ток нагрузки за счет выполнения короткозамкнутой обмотки из сверхпроводящего материала, имеющей размеры сечения, определяемые по вышеуказанной формуле. Thus, the proposed transformer with stepless voltage regulation allows to reduce the short-circuit current and stabilize the load current by performing a short-circuited winding of a superconducting material having cross-sectional dimensions determined by the above formula.

В настоящее время изготовлена и испытана действующая модель предложенного трансформатора, на которой проверена его работоспособность и подтверждена возможность получения положительного эффекта (снижение потерь, стабилизирующий и токоограничивающий эффект). Currently, the current model of the proposed transformer has been manufactured and tested, on which its operability has been tested and the possibility of obtaining a positive effect (loss reduction, stabilizing and current-limiting effect) has been confirmed.

Claims

1. ТРАНСФОРМАТОР С ПЛАВНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий магнитопровод, неподвижные обмотки и подвижную короткозамкнутую обмотку, отличающийся тем, что короткозамкнутая обмотка выполнена из сплошного сверхпроводящего материала цилиндрической формы, например из массивной высокотемпературной сверхпроводящей керамики, и помещена в криостат с охлаждающей жидкостью, имеющей температуру ниже критической для сверхпроводящего материала, например, с жидким азотом. 1. A TRANSFORMER WITH A SMOOTH VOLTAGE REGULATION, comprising a magnetic circuit, fixed windings and a movable short-circuited winding, characterized in that the short-circuited winding is made of a solid superconducting material of a cylindrical shape, for example, of a massive high-temperature superconducting ceramic with a temperature below critical for a superconducting material, for example, with liquid nitrogen.

2. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что криостат выполнен в виде тора с возможностью перемещения его вместе с короткозамкнутой обмоткой вдоль оси обмоток. 2. The transformer according to claim 1, characterized in that the cryostat is made in the form of a torus with the ability to move it together with a short-circuited winding along the axis of the windings.

3. Трансформатор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что криостат выполнен неподвижным с подвижной обмоткой внутри него. 3. The transformer according to paragraphs. 1 and 2, characterized in that the cryostat is stationary with a movable winding inside it.

4. Трансформатор по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что в криостат помещены неподвижные обмотки. 4. The transformer according to paragraphs. 1 and 3, characterized in that the stationary windings are placed in the cryostat.

5. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что в криостат вместе с короткозамкнутой обмоткой помещены магнитопровод с обмотками, при этом криостат выполнен в виде цилиндра. 5. The transformer according to claim 1, characterized in that a magnetic circuit with windings is placed in a cryostat along with a short-circuited winding, while the cryostat is made in the form of a cylinder.

6. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что сечение короткозамкнутой обмотки определяют по формуле

где S_к _з сечение сверхпроводящей обмотки;
I_с _т ток стабилизации на выходе трансформатора;
W₂ число витков вторичной обмотки;
j_к _р критическая плотность тока;
K коэффициент, зависящий от числа витков, схемы соединения обмоток и геометрических размеров магнитопровода и обмоток (K 1,5 3).6. The transformer according to claim 1, characterized in that the cross section of the short-circuited winding is determined by the formula

wherein S _of the cross section _{to the} superconducting coil;
I _with _t stabilization current at the output of the transformer;
W _{2 the} number of turns of the secondary winding;
j _to _p critical current density;
K is a coefficient depending on the number of turns, the connection diagram of the windings and the geometric dimensions of the magnetic circuit and the windings (K 1,5 3).